Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток

За те месяцы, которые Эдисон и Тесла работали вместе, многие уже заметили недостатки постоянного тока, ограничивающие его использование. Несмотря на гигантские размеры станции на Перл-Стрит, ее мощности позволяли освещать 508 жилых домов и зажигать всего 10164 лампочки. Эдисон очень переживал из-за недостаточной рентабельности станции. Повсеместно используемый газ на деле оказывался значительно более дешевым. В чем же была проблема с Перл-Стрит?

Протекание электрического тока по проводам сопровождается выделением тепла, что приводит к потерям тока. Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) открыл закон, устанавливающий связь между сопротивлением провода, по которому течет ток, и количеством выделяемого тепла.

Выражаясь фигурально, мы можем сказать, что данное явление происходит потому, что электроны, образующие электрический ток, «сталкиваются» с атомами материала, по которому проходят, и отдают часть своей кинетической энергии, преобразующейся в тепловую энергию. Выделяемое тепло передается непосредственному окружению проводника. На этом явлении основаны все электронагревательные приборы, равно как и лампы накаливания, в том числе созданные Эдисоном.

Однако здесь есть и негативные стороны — именно они сводили с ума Эдисона и его работников на Перл-Стрит. Как уже было сказано, часть энергии теряется при перемещении по проводам к пользователям. Значительная часть тока, вырабатываемого генераторами Эдисона, попросту уходила на нагрев проводов. Чтобы устранить данную проблему, было принято решение увеличить толщину проводников, но это привело к серьезному увеличению их стоимости и веса, возможность прокладки воздушных линий оказалась под угрозой. Для перемещения электричества в виде постоянного тока на далекие расстояния или по городской сети нужно было строить промежуточные станции через каждые несколько километров. Жители соседних домов жаловались на то, что эти станции шумные и некрасивые. К тому же они требовали постоянного обслуживания, так что система уже не казалась удобной и рентабельной. Переменный ток давал возможность решить проблему, но почему?

Согласно закону Ома, сформулированному в 1827 году немецким физиком и математиком Георгом Симоном Омом (1789-1854), силу тока (I) можно выразить формулой

I = U/R,

где U — напряжение. Сопротивление (R) показывает противодействие проводника прохождению электрического тока и измеряется в омах (Ω).

Сопротивление электричества зависит от трех параметров: длина (l) проводника, площадь его поперечного сечения (S) и коэффициент удельного электрического сопротивления, также называемого специфическим сопротивлением материла (ρ), так как для каждого элемента характерно свое значение.

R = ρ∙l/S.

Из приведенной формулы видно, что чем больше длина, тем больше сопротивление; чем выше коэффициент удельного сопротивления, тем также выше сопротивление. При этом чем больше площадь поперечного сечения, тем меньше сопротивление. Данный факт можно применить для борьбы с потерями энергии при нагревании. Именно это показывает закон Джоуля о превращении электричества в тепло (Q) и свет, выраженный через закон Ома:

Q= l²∙R∙t.

Опыты доказали, что потери тем меньше, чем меньше сила тока. Таким образом, для перемещения электроэнергии на большую дистанцию к точке потребления от точки генерирования или хранения требовалось поддерживать высокое напряжение. Однако высокое напряжение опасно в быту. Нужно было снизить силу тока перед транспортировкой, а затем увеличить ее в точке назначения. Но как это можно реализовать?

С помощью прибора, называемого трансформатор. При заданной мощности увеличение напряжения ведет к уменьшению силы тока и наоборот. При этом постоянный ток не позволял с легкостью использовать трансформатор. Для увеличения напряжения можно было подключить несколько динамо-машин, но такая система была очень медленной, малопрактичной и дорогой. Напротив, переменный ток позволял с легкостью увеличивать и уменьшать напряжение при помощи трансформатора, принцип действия которого основывался на электромагнитной индукции.

Трансформаторы — электрические приборы, применяемые для изменения напряжения электрического тока, проходящего по цепи. Их используют как для увеличения напряжения, так и для его уменьшения. Принцип действия трансформаторов основан на электромагнитной индукции. Переменный ток проходит по катушке, намотанной с одной стороны замкнутого железного сердечника. Этот ток создает магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ток в катушке, намотанной с другой стороны сердечника. Железный сердечник погружен в масляную среду, которая плохо проводит электричество. Трансформаторы работают только в сетях переменного тока. Так как переменный ток в проводнике на входе постоянно меняется, создаваемый магнитный поток также меняется. Это переменное магнитное поле образует ток в катушке на выходе. Две катушки не соединены физически, и на одной из них больше витков в обмотке, чем на другой. Именно из-за разницы в обмотках напряжение и ток в каждой из катушек разные. Трансформаторы являются пассивным оборудованием, не добавляющим энергии в цепь, при этом в стандартных условиях они очень эффективны, передавая до 99% энергии, полученной на входе. И только 1% теряется на нагревание.

Невзирая на советы своих инженеров, которые все больше беспокоились о состоянии системы, Эдисон упрямо игнорировал тот факт, что при постоянном токе происходили значительные потери, а снабжение электричеством больших районов представлялось невозможным. Он вкладывал огромные суммы денег в свою систему и был уверен, что его лампочки по-другому просто не будут работать. Каждый, кто покушался на кусок электрического пирога, сразу же начинал сталкиваться с Эдисоном, уверенным, что еще не скоро появится человек, способный его сокрушить. Так довольно быстро один из его потенциальных врагов и конкурентов, иностранец Никола Тесла, оказался буквально втоптанным в грязь.

В конце 1886 года Никола Тесла работал в мастерской без особых надежд на будущее. Через своего начальника, которому он также рассказывал об индукционном двигателе, изобретатель познакомился с двумя потенциальными инвесторами, которые знали о перспективах переменного тока: директором телеграфного бюро «Вестерн Юнион» Альфредом С. Брауном и нью- йоркским адвокатом Альфредом Ф. Пеком. Оба находили идеи Теслы любопытными, но также испытывали и сомнения, в частности не могли понять смысла и возможностей вращающегося магнитного поля.

Как записано в воспоминаниях и многих биографиях Теслы, ему пришло в голову напомнить им историю о «колумбовом яйце». По рассказу Джироламо Бенцони в «Истории Нового Света»(1565), однажды за ужином, после возвращения Христофора Колумба из Америки, многие из присутствующих начали намекать, что кто угодно мог бы открыть Новый Свет и заслуга Колумба состоит лишь в упорстве, с которым он плыл на запад. Тогда Колумб попросил, чтобы ему принесли яйцо, и предложил присутствующим попытаться поставить его на стол вертикально. Как ни пытались гости, ни у кого ничего не получилось, и они стали говорить, что это невозможно. Тогда Колумб взял яйцо, уверенным ударом приплюснул его, не разбив, и поставил на стол. Все с изумлением увидели, что яйцо стоит вертикально. Колумб сказал тогда, что смог достичь того, что казалось невозможным, потому что знал, как это нужно делать, и точно так же он открыл дорогу к новым землям. Тесла тоже предложил Брауну и Пеку, выражаясь фигурально, поставить яйцо вертикально, и они с большим любопытством согласились.