Константин Рыжов 100 великих изобретений 100 великих – 0
жүктеу/скачать 8,62 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 60. ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ
- 61. ГРАММОФОН
- 62. ЭЛЕКТРОЛИЗ АЛЮМИНИЯ
59. ТРАНСФОРМАТОР О физической сути явления трансформации токов уже сообщалось в главе, посвященной телефону. Нужно, однако, сказать еще несколько слов об изобретении этого замечательного устройства, позволившем разрешить множество больших и малых проблем электротехники. Вполне логично утверждать, что первый трансформатор появился одновременно с открытием явления электромагнитной индукции. Один из опытов Фарадея заключался в том, что он пускал ток от батареи через обмотки катушки. При этом возникал ток в обмотках второй катушки, которая находилась поблизости, но никак не была связана с первой. Моментальное прохождение тока регистрировалось гальванометром. Сам Фарадей, впрочем, никогда не использовал этот эффект для преобразования напряжения. В 1848 году Румкорф первым обратил внимание физиков на удивительные способности трансформатора создавать токи очень высокого напряжения. Но прошло еще несколько лет, прежде чем ему удалось создать работающую модель этого прибора. В результате, в 1852 году появилась знаменитая индукционная катушка Румкорфа, которая сыграла огромную роль в истории техники. При изготовлении этого первого трансформатора изобретателю пришлось преодолеть значительные трудности. Для того чтобы увеличить число витков в обмотке вторичной катушки, Румкорф должен был применять очень тонкую проволоку и при этом тщательно следить, чтобы высокое напряжение не пробило ее изоляции. Купив несколько километров тонкой, как волос, проволоки, он тщательно заизолировал ее, а затем аккуратно навил на катушку виток к витку. С помощью своей катушки Румкорф мог получать колебания тока очень высокого напряжения. Постоянный ток не поддается трансформации. Для того чтобы превратить постоянный ток батареи в переменный, Румкорф последовательно с первичной катушкой включил прерыватель, который периодически замыкал и размыкал ток первичной цепи (обычно с частотой от нескольких десятков до нескольких сотен раз в секунду). При замыкании первичного тока от батареи во вторичной обмотке наводилось напряжение, которое было выше первичного в таком же отношении, в каком находилось количество витков во вторичной и первичной обмотках. При размыкании тока первичной обмотки во вторичной наводилось еще более высокое напряжение. Величина его была тем больше, чем быстрее шло размыкание тока. В качестве прерывателя применялась пружинная пластинка, которая притягивалась сердечником катушки и размыкала цепь. Частота прерываний зависела от массы и упругости пружины, от количества витков в первичной обмотке и от напряжения батареи. На протяжении нескольких десятилетий трансформаторы почти не использовались в технике и имели исключительно научное применение. Только в конце 70‑х годов индукционные катушки стали широко использоваться в телефонных аппаратах и при устройстве электрического освещения. Дело в том, что после распространения свечи Яблочкова в Европе электротехники столкнулись с так называемой проблемой «дробления» электрической энергии. Она состояла в следующем. Как правило, от одной генераторной установки должно было питаться множество лампочек. Между тем при последовательном соединении многих свечей режим работы сети становился неустойчивым. Потухание только одной свечи было равносильно разрыву сети, после чего гасли и остальные свечи. Если свечи включались в цепь параллельно, то обычно загоралась только та из них, сопротивление которой было наименьшим (потому что ток, как известно, идет всегда по линии наименьшего сопротивления). Когда эта свеча полностью выгорала, загоралась следующая, сопротивление которой было наименьшим, и так далее. Столкнувшись с этой проблемой, Яблочков предложил использовать для «дробления» энергии индукционные катушки. При этом соединении в цепь последовательно включались первичные обмотки катушек, а во вторичную обмотку, в зависимости от ее параметров, могли включаться одна, две, три или более свечей. Катушки работали при этом в режиме трансформатора, давая на выходе необходимое напряжение. При потухании лампы цепь не прерывалась, так что отдельные свечи продолжали гореть. С развитием техники переменных токов трансформаторы получили важное значение. В 1882 году Голяр и Гиббс взяли патент на трансформатор, который использовался уже не только для «дробления» энергии, но и для преобразования напряжения. На деревянной подставке укреплялось некоторое число вертикальных индукционных катушек, первичные обмотки которых были соединены последовательно. Вторичные обмотки делились на секции, и каждая секция имела пару выводов для присоединения приемников тока, которые действовали независимо друг от друга. Сопротивление в первичной цепи (а, следовательно, и силу тока) можно было регулировать, перемещая внутри катушек сердечники. Сердечники первичной и вторичной обмоток не были соединены между собой, поэтому эти трансформаторы имели разомкнутую магнитную систему. Однако вскоре было замечено, что если вторичную и первичную катушки насадить на единый сердечник, то трансформатор будет работать гораздо лучше — потери энергии сократятся, а КПД повысится. Первый такой трансформатор с замкнутой магнитной системой был создан в 1884 году английскими изобретателями братьями Джонсом и Эдуардом Гопкинсон. Сердечник этого трансформатора был набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери энергии на вихревые токи. На этот сердечник, чередуясь, помещали катушки высшего и низшего напряжения. В 1885 году венгерский электротехник Дери доказал, что трансформаторы должны включаться в цепь параллельно, и взял патент на этот способ соединения. Только после этого начался промышленный выпуск трансформаторов однофазного переменного тока. Поскольку мощные трансформаторы испытывали при своей работе значительный перегрев, была разработана система их масляного охлаждения (внутрь трансформатора стали помещать керамический сосуд с маслом). Трансформаторы оказались чрезвычайно полезны и при трехфазной системе. Вообще, система трехфазного тока не получила бы в первые же годы своего существования такого широкого применения, если бы она не решала проблемы передачи энергии на большие расстояния. Но такая передача, как будет показано ниже, выгодна только при высоком напряжении, которое, в случае переменного тока, получается при помощи трансформатора. Трехфазная система не представляла принципиальных затруднений для трансформирования энергии, но требовала трех однофазных трансформаторов вместо одного при однофазной системе. Такое увеличение числа довольно дорогих аппаратов не могло не вызвать стремления найти более удовлетворительное решение. В 1889 г. Доливо‑Добровольский изобрел трехфазный трансформатор с радиальным расположением сердечников. В этом случае обмотки высшего и низшего напряжений каждой фазы располагались на соответствующих радиальных сердечниках, а магнитный поток заключался на наружной оболочке (внешнем ярме). Затем Доливо‑Добровольский нашел, что проще разместить стержни с обмотками параллельно, а торцы стержней (сердечников) соединить одинаковым ярмом. Тогда вся система получалась более компактной. Этот тип трансформатора получил название «призматического». Наконец, в октябре 1891 года Доливо‑Добровольский взял патент на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. Его конструкция оказалась настолько удачной, что без принципиальных изменений сохранилась до наших дней. 60. ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ В последней трети XIX века во многих крупных промышленных центрах Европы и Америки стала очень остро ощущаться энергетическая проблема. Жилые дома, транспорт, фабрики и мастерские требовали все больше топлива, подвозить которое приходилось издалека, вследствие чего цена на него постоянно росла. В этой связи то здесь, то там стали обращаться к гидроэнергии рек, гораздо более дешевой и доступной. Вместе с тем повсеместно возрастал интерес к электрической энергии. Уже давно было отмечено, что этот вид энергии чрезвычайно удобен: электричество легко генерируется и так же легко преобразуется в другие виды энергии, без труда передается на расстояние, подводится и дробится. Первые электрические станции обычно представляли собой электрогенератор, присоединенный к паровой машине или турбине, и предназначались для снабжения электроэнергией отдельных объектов (например, цеха или дома, в крайнем случае, квартала). С середины 80‑х годов стали строиться центральные городские электростанции, дававшие ток прежде всего для освещения. (Первая такая электростанция была построена в 1882 году в Нью‑Йорке под руководством Эдисона.) Ток на них вырабатывался мощными паровыми машинами. Но уже к началу 90‑х годов стало ясно, что таким образом энергетическую проблему не разрешить, поскольку мощность центральных станций, расположенных в центральной части города, не могла быть очень большой. Использовали они те же уголь и нефть, то есть не снимали проблемы доставки топлива. Дешевле и практичнее было возводить электростанции в местах с дешевыми топливными и гидроресурсами. Но, как правило, местности, где можно было в большом количестве получать дешевую электроэнергию, были удалены от промышленных центров и больших городов на десятки и сотни километров. Таким образом, возникла другая проблема — передачи электроэнергии на большие расстояния. Первые опыты в этой области относятся к самому началу 70‑х годов XIX века, когда пользовались в основном постоянным током. Они показали, что как только длина соединительного провода между генератором тока и потреблявшим этот ток двигателем превышала несколько сотен метров, ощущалось значительное снижение мощности в двигателе из‑за больших потерь энергии в кабеле. Это явление легко объяснить, если вспомнить о тепловом действии тока. Проходя по кабелю, ток нагревает его. Эти потери тем больше, чем больше сопротивление провода и сила проходящего по нему тока. (Количество выделяющейся теплоты Q легко вычислить. Формула имеет вид: Q=R•I2, где I — сила проходящего тока, R — сопротивление кабеля. Очевидно, что сопротивление провода тем больше, чем больше его длина и чем меньше его сечение. Если в этой формуле принять I=P/U, где P — мощность линии, а U — напряжение тока, то формула примет вид Q=R•P2/U2. Отсюда видно, что потери на тепло будут тем меньше, чем больше напряжение тока.) Имелось только два пути для снижения потерь в линии электропередачи: либо увеличить сечение передающего провода, либо повысить напряжение тока. Однако увеличение сечения провода сильно удорожало его, ведь в качестве проводника тогда использовалась достаточно дорогая медь. Гораздо более выигрыша сулил второй путь. В 1882 году под руководством известного французского электротехника Депре была построена первая линия электропередачи постоянного тока от Мисбаха до Мюнхена, протяженностью в 57 км. Энергия от генератора передавалась на электродвигатель, приводивший в действие насос. При этом потери в проводе достигали 75%. В 1885 году Депре провел еще один эксперимент, осуществив электропередачу между Крейлем и Парижем на расстояние в 56 км. При этом использовалось высокое напряжение, достигавшее 6 тысяч вольт. Потери снизились до 55%. Было очевидно, что, повышая напряжение, можно значительно повысить КПД линии, но для этого надо было строить генераторы постоянного тока высокого напряжения, что было связано с большими техническими сложностями. Даже при этом сравнительно небольшом напряжении Депре приходилось постоянно чинить свой генератор, в обмотках которого то и дело происходил пробой. С другой стороны, ток высокого напряжения нельзя было использовать, поскольку на практике (и прежде всего для нужд освещения) требовалось совсем небольшое напряжения, порядка 100 вольт. Для того чтобы понизить напряжение постоянного тока, приходилось строить сложную преобразовательную систему: ток высокого напряжения приводил в действие двигатель, а тот, в свою очередь, вращал генератор, дававший ток более низкого напряжения. При этом потери еще более возрастали, и сама идея передачи электроэнергии становилась экономически невыгодной. Переменный ток в отношении передачи казался более удобным хотя бы уже потому, что его можно было легко трансформировать, то есть в очень широких пределах повышать, а затем понижать его напряжение. В 1884 году на Туринской выставке Голяр осуществил электропередачу на расстояние в 40 км, подняв с помощью своего трансформатора напряжение в линии до 2 тысяч вольт. Этот опыт дал неплохие результаты, но и он не привел к широкому развитию электрификации, поскольку, как уже говорилось, двигатели однофазного переменного тока по всем параметрам уступали двигателям постоянного тока и не имели распространения. Таким образом, и однофазный переменный ток было невыгодно передавать на большие расстояния. В следующие годы были разработаны две системы многофазных токов — двухфазная Теслы и трехфазная Доливо‑Добровольского. Каждая из них претендовала на господствующее положение в электротехнике. По какому же пути должна была пойти электрификация? Точного ответа на этот вопрос поначалу не знал никто. Во всех странах шло оживленное обсуждение достоинств и недостатков каждой из систем токов. Все они имели своих горячих сторонников и ожесточенных противников. Некоторая ясность в этом вопросе была достигнута только в следующем десятилетии, когда был сделан значительный прорыв в деле электрификации. Огромную роль в этом сыграла Франкфуртская международная выставка 1891 года. В конце 80‑х годов встал вопрос о сооружении центральной электростанции во Франкфурте‑на‑Майне. Многие германские и иностранные фирмы предлагали городским властям различные варианты проектов, предусматривающие применение либо постоянного, либо переменного тока. Обер‑бургомистр Франкфурта находился в явно затруднительном положении: он не мог сделать выбор там, где это было не под силу даже многим специалистам. Для выяснения спорного вопроса и решено было устроить во Франкфурте давно планировавшуюся международную электротехническую выставку. Ее главной целью должна была стать демонстрация передачи и распределения электрической энергии в различных системах и применениях. Любая фирма могла продемонстрировать на этой выставке свои успехи, а международная комиссия из наиболее авторитетных ученых должна была подвергнуть все экспонаты тщательному изучению и дать ответ на вопрос о выборе рода тока. К началу выставки различные фирмы должны были построить свои линии передачи электроэнергии, причем одни собирались демонстрировать передачу постоянного тока, другие — переменного (как однофазного, так и многофазного). Фирме АЭГ было предложено осуществить передачу электроэнергии из местечка Лауфен во Франкфурт на расстояние 170 км. По тем временам это было огромное расстояние, и очень многие считали саму идею фантастической. Однако Доливо‑Добровольский был настолько уверен в системе и возможностях трехфазного тока, что убедил директора Ротенау согласиться на эксперимент. Когда появились первые сообщения о проекте электропередачи Лауфен — Франкфурт, электротехники во всем мире разделились на два лагеря. Одни с энтузиазмом приветствовали это смелое решение, другие отнеслись к нему как к шумной, но беспочвенной рекламе. Подсчитывали возможные потери энергии. Некоторые считали, что они составят 95%, но даже самые большие оптимисты не верили, что КПД такой линии превысит 15%. Наиболее известные авторитеты в области электротехники, в том числе знаменитый Депре, высказывали сомнения в экономической целесообразности этой затеи. Однако Доливо‑Добровольский сумел убедить руководство компании в необходимости взяться за предложенную работу. Поскольку до открытия выставки оставалось совсем мало времени, строительство ЛЭП проходило в большой спешке. За полгода Доливо‑Добровольский должен был спроектировать и построить небывалый по мощности асинхронный двигатель на 100 л.с. и четыре трансформатора на 150 киловатт, при том что максимальная мощность однофазных трансформаторов составляла тогда только 30 киловатт. Не могло быть и речи об опытных конструкциях: на это просто не хватало времени. Даже построенный двигатель и трансформаторы не могли быть испытаны на заводе, так как в Берлине не было трехфазного генератора соответствующей мощности (генератор для Лауфеновской станции строили в Эрликсоне). Следовательно, все элементы электропередачи предстояло включить непосредственно на выставке в присутствии многих ученых, представителей конкурирующих фирм и бесчисленных корреспондентов. Малейшая ошибка была бы непростительной. Кроме того, на плечи Доливо‑Добровольского легла вся ответственность за проектирование и монтажные работы при сооружении ЛЭП. Собственно, ответственность была даже больше — ведь решался вопрос не только о карьере Доливо‑Добровольского и престиже АЭГ, но и о том, по какому пути пойдет развитие электротехники. Доливо‑Добровольский прекрасно понимал всю важность стоявшей перед ним задачи и писал позже: «Если я не хотел навлечь на мой трехфазный ток несмываемого позора и подвергнуть его недоверию, которое вряд ли удалось бы потом быстро рассеять, я обязан был принять на себя эту задачу и разрешить ее. В противном случае опыты Лауфен‑Франкфурт и многое, что потом должно было развиться на их основе, пошли бы по пути применения однофазного тока». В Лауфене была в короткий срок построена небольшая гидроэлектростанция. Турбина мощностью 300 л.с. вращала генератор трехфазного тока, спроектированный и построенный, как уже говорилось, на заводе в Эрликсоне. От генератора три медных провода большого сечения вели к распределительному щиту. Здесь были установлены амперметры, вольтметры, свинцовые предохранители и тепловые реле. От распределительного щита три кабеля шли к трем трехфазным трансформаторам «призматического» типа. Обмотки всех трансформаторов соединялись в звезду. Предполагалось вести электропередачу при напряжении в 15 тысяч вольт, но все расчеты делались на работу в 25 тысяч вольт. Для достижения такого высокого напряжения планировалось включить по два трансформатора на каждом конце линии, так чтобы их обмотки низшего напряжения были соединены параллельно, а обмотки высшего — последовательно. От трансформаторов в Лауфене начиналась трехпроводная линия, подвешенная на 3182 деревянных опорах высотой 8 и 10 м со средним пролетом 60 м. Никаких выключателей на линии не было. Для того чтобы в случае необходимости можно было быстро отключить ток, предусматривались два оригинальных приспособления. Рядом с Лауфенской гидроэлектростанцией были установлены две опоры на расстоянии 2, 5 м одна от другой. Здесь в разрыв каждого провода линии включалась плавкая вставка, состоявшая из двух медных проволок диаметром 0, 15 мм. Во Франкфурте и вблизи железнодорожных станций (часть линии шла вдоль железнодорожного полотна) были установлены так называемые угловые замыкатели. Каждый из них представлял собой металлический брус, подвешенный с помощью шнура на Г‑образной опоре. Достаточно было дернуть за шнур, и брус опускался на все три провода, создавая искусственное короткое замыкание, что вызывало перегорание плавких вставок в Лауфене и обесточивание всей линии. Во Франкфурте провода подходили к понижающим трансформаторам (они находились на выставке в специальном павильоне), которые снижали напряжение на выходе до 116 вольт. К одному из этих трансформаторов было подключено 1000 ламп накаливания по 16 свечей (55 ватт) каждая, к другому — большой трехфазный двигатель Доливо‑Добровольского, размещавшийся в другом павильоне. Линейное напряжение генератора в Лауфене составляло 95 вольт. Повышающий трансформатор имел коэффициент трансформации равный 154. Следовательно, рабочее напряжение в ЛЭП составляло 14650 вольт (95•154). Для того времени это было очень высокое напряжение. Правительства земель, через которые проходила ЛЭП, были встревожены ее сооружением. У некоторых возникало чувство страха даже перед деревянными столбами, на которых были укреплены таблички с черепами. Особые опасения вызывала возможность обрыва провода и падения его на рельсы железной дороги. Выставочному комитету и сооружавшим линиям фирмам пришлось провести огромную разъяснительную работу, чтобы убедить правительственных чиновников в том, что все возможные опасности предусмотрены и что линия надежно защищена. Администрация Бадена все же не разрешала соединять участок уже готовой линии на баденской границе. Для того чтобы устранить последние препятствия и рассеять сомнения местных властей, Доливо‑Добровольский провел опасный, но весьма убедительный эксперимент. Когда линия была впервые включена под напряжение, один из проводов на границе Бадена и Гессена был искусственно оборван и с яркой вспышкой упал на рельсы железной дороги. Доливо‑Добровольский сейчас же подошел и поднял провод голыми руками: настолько он был уверен, что сработает сконструированная им защита. Этот «метод» доказательства оказался очень наглядным и устранил последнюю преграду перед испытаниями линии. 25 августа 1891 года в 12 часов дня на выставке впервые вспыхнули 1000 электрических ламп, питаемых током Лауфенской гидроэлектростанции. Эти лампы обрамляли щиты и арку над входом в ту часть выставки, экспонаты которой относились к электропередаче Лауфен — Франкфурт. На следующий день был успешно испытан двигатель мощностью в 75 киловатт, который 12 сентября впервые привел в действие десятиметровый водопад. Несмотря на то что линия, машины, трансформаторы, распределительные щиты изготовлялись в спешке (некоторые детали, по свидетельству Доливо‑Добровольского, продумывались всего в течение часа), вся установка, включенная без предварительного испытания, к удивлению одних и к радости других, сразу же стала хорошо работать. Особое впечатление на посетителей выставки произвел водопад. Однако лица, более осведомленные в вопросах физики и электротехники, радовались в этот день не огромному водопаду, сверкавшему тысячами стеклянных брызг, подсвеченных десятками разноцветных ламп. Их восторг был связан с пониманием того, что этот прекрасный искусственный водопад приводится в действие источником, находящимся на расстоянии 170 км на реке Неккар у местечка Лауфен. Они видели перед собой блестящее решение проблемы передачи энергии на большие расстояния. В октябре международная комиссия приступила к испытаниям Лауфен‑Франкфуртской линии электропередачи. Было установлено, что потери при электропередаче составляют всего 25%, что являлось очень хорошим показателем. В ноябре линия была испытана при напряжении в 25 тысяч вольт. При этом КПД ее увеличился, и потери снизились до 21%. Подавляющее большинство электриков всех стран мира (выставку посетило более миллиона человек) по достоинству оценило значение Лауфен‑Франкфуртского эксперимента. Трехфазный ток получил очень высокую оценку, и ему отныне был открыт самый широкий путь в промышленность. Доливо‑Добровольский сразу выдвинулся в число ведущих электротехников планеты, и имя его приобрело мировую известность. Так была разрешена главная энергетическая проблема конца XIX века — проблема централизации производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния. Для всех стал ясен способ, каким многофазный ток мог быть подведен от далекой электростанции к каждому отдельному цеху, а потом и отдельному станку. Ближайшим следствием возникновения техники многофазного тока явилось то, что в последующие годы во всех развитых странах началось бурное строительство электростанций и широчайшая электрификация промышленности. Правда, в первые годы она еще осложнялась ожесточенной борьбой между конкурирующими компаниями, стремившимися внедрить тот или иной тип тока. Так, в Америке сначала взяла вверх компания Вестингауза, которая, скупив патенты Теслы, старалась распространить двухфазный ток. Триумфом двухфазной системы стало строительство в 1896 году мощной ГЭС на Ниагарском водопаде. Но трехфазный ток вскоре повсеместно был признан наилучшим. Действительно, двухфазная система требовала проведения четырех проводов, а трехфазная — только трех. Кроме большей простоты, она сулила значительную экономию средств. Позже Тесла, по примеру Доливо‑Добровольского, предложил объединять два обратных провода вместе. При этом происходило сложение токов, и в третьем проводе тек ток примерно в 1, 4 раза больший, чем в двух других. Поэтому сечение этого провода было в 1, 4 раза больше (без этого увеличения сечения в цепи возникали перегрузки). В результате затраты на двухфазную проводку все равно оказывались больше, чем на трехфазную, между тем как двухфазные двигатели по всем параметрам уступали трехфазным. В XX веке трехфазная система утвердилась повсеместно. Даже Ниагарская электростанция была со временем переоборудована на трехфазный ток. 61. ГРАММОФОН Среди замечательных технических достижений XIX века далеко не последнее место занимает изобретение звукозаписи. Впервые устройство, позволяющее записывать звук, было создано в 1857 году Леоном Скоттом. Принцип действия его фоноавтографа был очень прост: игла, которой передавались колебания звуковой диафрагмы, вычерчивала кривую на поверхности вращавшегося цилиндра, покрытого слоем сажи. Звуковые волны в этом приборе получали как бы зримый образ, но не более того — понятно, что воспроизвести записанный на саже звук было невозможно. Следующий важный шаг на этом пути был сделан знаменитым американским изобретателем Эдисоном. В 1877 году Эдисон создал первую «говорящую машину» — фонограф, позволявшую производить не только запись, но и воспроизведение звука. О своем изобретении Эдисон рассказывал так: «Однажды, когда я еще работал над улучшением телефонного аппарата, я как‑то запел над диафрагмой телефона, к которой была припаяна стальная игла. Благодаря дрожанию пластинок игла уколола мне палец, и это заставило меня задуматься. Если бы можно было записать эти колебания иглы, а потом снова провести иглой по такой записи, отчего бы пластинке не заговорить? Я попробовал сначала пропустить обыкновенную телеграфную ленту под острием телефонной диафрагмы и заметил, что получилась какая‑то азбука, а потом, когда я заставил ленту с записью вновь пройти под иглой, мне послышалось, правда, очень слабо: „Алло, алло“. Тогда я решил построить прибор, который работал бы отчетливо, и дал указание моим помощникам, рассказав, что я придумал. Они надо мной посмеялись». Принцип фонографа был в общих чертах тот же, что у телефона. Звуковые волны с помощью говорной трубы приводились к пластинке из очень тонкого стекла или слюды и резцом, прикрепленным к ней, записывались на быстро вращающийся вал, покрытый оловянной фольгой. На фольге получались следы, форма которых соответствовала колебаниям пластины и, следовательно, падающим на нее звуковым волнам. Этой полосой листового олова можно было пользоваться для получения на том же приборе тех же звуков. При равномерном вращении полосы резец, прикрепленный к пластинке проходил вдоль сделанной им ранее борозды. Вследствие этого пластинка приводилась резцом в те же самые колебания, которые она прежде сама передавала ему под действием голоса и звукового инструмента и начинала звучать подобно мембране телефона. Таким образом фонограф воспроизводил всякий разговор, пение и свист. Первые приборы Эдисона, созданные в 1877 г., были еще очень несовершенны. Они хрипели, гнусавили, чрезмерно усиливали некоторые звуки, совсем не воспроизводили других, и вообще, больше напоминали попугаев, чем репродукторы человеческой речи. Другой их недостаток состоял в том, что звук можно было различить, лишь приложив ухо к диафрагме. Это происходило во многом из‑за того, что валик двигался недостаточно ровно по поверхности, которую не могли сделать совершенно гладкой. Игла, переходя из одного углубления в другое, испытывала собственные колебания, передававшиеся в виде сильных шумов. Эдисон упорно работал над улучшением фонографа. Особенно много проблем встретил он с воспроизведением звука "с", который никак не хотел записываться. Он сам вспоминал позже: «В течение семи месяцев я работал почти по 18‑20 часов в сутки над одним словом „специя“. Сколько раз я ни повторял в фонограф: специя, специя, специя — прибор упорно твердил мне одно и то же: пеция, пеция, пеция. С ума можно было сойти! Но я не упал духом и настойчиво продолжал свою работу, пока не преодолел затруднения. Насколько трудна была моя задача, вы поймете, если я скажу, что следы, получающиеся на цилиндре в начале слова, имели в глубину не более одной миллионной доли дюйма! Легко делать удивительные открытия, но трудность состоит в усовершенствовании их настолько, чтобы они получили практическую ценность». После многих экспериментов был найден более или менее подходящий материал для валиков — сплав воска и некоторых растительных смол (этот рецепт Эдисон держал в секрете). В 1878 году он основал специальную фирму по производству фонографов. Одновременно во всех газетах была развернута широкая реклама его изобретения. Уверяли, что фонограф можно будет применять для диктовки писем, издания звуковых книг, воспроизведения музыки, изучения иностранных языков, записи телефонных сообщений и многих других целей. Но, увы, ни одно из этих обещаний не было исполнено даже в 1889 году, когда был сконструирован новый фонограф, не имевший многих недостатков прежнего. Принцип его действия остался прежним. Восковой цилиндр W приводился во вращение находившимся в ящике K электродвигателем с очень спокойным и равномерным ходом. Регулятор G через включение и выключение сопротивлений управлял скоростью вращения цилиндра (125 об/мин). Рычаг A, поддерживающий говорную трубку и пластинку, покоился на салазках. Эти салазки передвигались вдоль направляющего бруска F с помощью гайки с винтовой нарезкой M, которая лежала на валике главного винта, имевшего мелкую нарезку и образовывавшего ось цилиндра C. Нарезка эта представляла образцовое произведение механики и имела сто винтовых ходов на один дюйм. Два рычажка A и B служили для насаживания гайки с главного стержня. Пластинки фонографа состояли из очень тонкого стекла; из них одна имела острый резец для записи колебаний пластинки на восковом цилиндре, другая — тупой резец для воспроизведения. Третья, несколько более крепкая пластинка, была снабжена маленьким острым резцом для того, чтобы приведенные в негодность восковые цилиндры вновь обтачивать и таким образом пользоваться ими для новых записей. Для усиления звука использовалась труба с раструбом. Пишущая часть представляла собой вделанную в металлическое кольцо круглую диафрагму, пространство над которой было закрыто крышкой с раструбом. Если говорить в этот раструб, то звуковые волны достигали диафрагмы и приводили ее в колебательное движение. Снизу к середине диафрагмы было прикреплено тонкое пишущее острие, с помощью которого вырезалась на восковой оболочке барабана бороздка, более или менее глубокая, соответственно колебаниям диафрагмы. Диафрагма со своими принадлежностями поддерживалась на рычаге, который был прикреплен к скользящему приспособлению, и вместе с последним передвигалась при вращении барабана справа налево. Чтобы это передвижение происходило согласно с вращением барабана, на скользящем приспособлении был укреплен второй рычаг, который своим концом покоился на винтовом шпинделе, налегая на него частью гайки. Таким образом, при движении шпинделя передвигалось скользящее приспособление, а так как шпиндель был соединен бесконечным шнуром с валом барабана, то скользящее приспособление и вместе с ним штифт двигались согласно с его вращением, и штифтик вырезал на восковой массе винтовую линию. Пока диафрагма не колебалась, штифтик вырезал бороздку равномерной глубины, но как скоро диафрагма начинала колебаться под влиянием звуковых волн, глубина бороздки все время то уменьшалась, то увеличивалась. Эту волнообразную полосу потом использовали для приведения в движение другой подобной диафрагмы, к которой был прикреплен скользящий по бороздке штифтик. Однако и новый усовершенствованный фонограф не получил широкого практического применения. Кроме высокой цены, распространению его мешало практическое несовершенство. Валик не мог вместить много информации и заполнялся через несколько минут. Более или менее значительная корреспонденция требовала большого числа валиков. После нескольких прослушиваний копия разрушалась. Сама передача аппарата была далека от совершенства. Кроме того, с воскового валика невозможно было получить копии. Всякая запись была уникальной и с порчей валика пропадала навсегда. Все эти недостатки были благополучно преодолены Эмилем Берлинером, который в 1887 году взял патент на другой звукозаписывающий прибор — граммофон. Хотя принцип устройства граммофона и фонографа был один и тот же, граммофон имел ряд существенных отличий, которые и обеспечили ему широчайшее распространение. Прежде всего, игла в записывающем аппарате Берлинера располагалась параллельно плоскости диафрагмы и чертила извилистые линии (а не борозды, как у Эдисона). Кроме того, вместо громоздкого и неудобного валика Берлинер избрал круглую пластинку. Запись происходила следующим образом. На диск большого диаметра с бортиком устанавливали предназначенный для записи звука полированный цинковый диск. Сверху на него наливали раствор воска в бензине. Диск‑ванна получал вращение от ручки через фрикционную передачу, а система шестерней и ходового винта связывала вращение диска с радиальным ходом записывающей мембраны, укрепленной на стойке. Этим достигалось движение записывающего устройства по спиралеобразной линии. Когда бензин испарялся, на диске оставался очень тонкий слой воска, и диск был готов к записи. Нанесение звуковой канавки Берлинер производил почти так же, как Эдисон, при помощи записывающей мембраны, снабженной трубкой с небольшим рупором и передававшей свои колебания иридиевому острию. Главное достоинство записи по способу Берлинера состояло в том, что с диска можно было легко получать копии. Для этого записанный диск прежде всего погружали в водный раствор хромовой кислоты. Там, где поверхность диска была покрыта воском, кислота не оказывала на него никакого воздействия. Только в звуковых канавках, поскольку записывающее острие срезало воск до самой поверхности диска, цинк растворялся под действием кислоты. При этом звуковая канавка протравливалась до глубины около 0, 1 мм. Затем диск промывали и удаляли воск. В таком виде он уже мог служить для воспроизведения звука, но фактически являлся лишь оригиналом для изготовления медных гальванических копий. Принцип гальванопластики был открыт в 1838 году русским электротехником Якоби. Выше уже упоминались электролиты — жидкости, проводящие через себя электрический ток. Особенностью электролитов является то, что в растворах (или расплавах) их молекулы распадаются на положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому становится возможным электролиз — химическая реакция, которая протекает под воздействием электрического тока. Для проведения электролиза в ванну помещают металлические или угольные стержни, которые соединяют с постоянным источником тока. (Электрод, подключенный к отрицательному полюсу батареи, называют катодом, а электрод, соединенный с положительным полюсом — анодом.) Электрический ток в электролите представляет процесс движения ионов к электродам. Положительно заряженные ионы движутся к катоду, а отрицательно заряженные — к аноду. На электродах происходит реакция нейтрализации ионов, которые, отдавая лишние электроны или получая недостающие, превращаются в атомы и молекулы. К примеру, каждый ион меди получает на катод два недостающих электрона и осаждается на нем в виде металлической меди. При этом осадок дает точное рельефное изображение катода. Это последнее свойство как раз и используется при гальванопластике. С копируемых предметов снимается копия (матрица), представляющая их обратное негативное изображение. Затем копия подвешивается в качестве катода (отрицательного полюса) в гальваническую ванну. В качестве анода (положительного полюса) берется тот металл, из которого изготовлялась копия. Раствор ванны должен содержать в себе ионы того же металла. Точно так же действовал Берлинер — он погружал цинковый диск в ванну с раствором медной соли и подключал к нему отрицательный полюс батареи. В процессе электролиза на диске осаждался слой меди толщиной в 3‑4 мм, в точности повторявший все детали диска, но с обратным рельефом (то есть на месте канавок получались бугорки, но в точности повторяющие все их извивы). Затем полученную медную копию отделяли от цинкового диска. Она служила матрицей, с которой можно было отпрессовывать диски‑пластинки из какого‑нибудь пластического материала. В начале для этой цели применяли целлулоид, эбонит, всевозможные восковые массы и тому подобные вещества. Самая первая в истории граммофонная пластинка была изготовлена Берлинером в 1888 году из целлулоида. Граммофонные пластинки, поступившие в начале 90‑х годов в продажу, были выполнены из эбонита. Оба эти материала не годились для назначенной цели, так как плохо подавались прессовке и потому недостаточно точно воспроизводили рельеф матрицы. Проделав множество опытов, Берлинер в 1896 году создал специальную шеллачную массу (в состав ее входили шеллак — смола органического происхождения, тяжелый шпат, зола и некоторые другие вещества), которая оставалась потом на протяжении многих десятилетий основным материалом для изготовления пластинок. Проигрывание пластинок происходило на специальном устройстве — граммофоне. Главной частью звукоснимающего прибора здесь была слюдяная пластинка, сцепленная рычагом с зажимом, в который вставлялись сменные стальные иглы. Между зажимом и корпусом мембраны помещались резиновые прокладки. Первоначально граммофон приводился в движение от руки, а затем стал устанавливаться на ящик с часовым механизмом. Как записывающее устройство, так и первые граммофоны Берлинера были весьма несовершенны. Шипение, треск и искажения были их постоянными спутниками. Тем не менее это изобретение имело огромный коммерческий успех — за какие‑нибудь десять лет граммофоны распространились по всему миру и проникли во все слои общества. К 1901 году было выпущено уже около четырех миллионов пластинок. Фонографы не могли выдержать конкуренции с творением Берлинера, и Эдисону пришлось свернуть их производство. 62. ЭЛЕКТРОЛИЗ АЛЮМИНИЯ Современную жизнь невозможно представить без алюминия. Этот блестящий легкий металл, прекрасный проводник электричества, получил в последние десятилетия самое широкое применение в различных отраслях производства. Между тем известно, что в свободном виде алюминий не встречается в природе, и вплоть до XIX века наука даже не знала о его существовании. Только в последней четверти XIX века была разрешена проблема промышленного производства металлического алюминия в свободном виде. Это стало одним из крупнейших завоеваний науки и техники этого периода, значение которого мы, может быть, еще не оценили до конца. По содержанию в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье среди других элементов (после кислорода и кремния). Земная кора на 8, 8% состоит из алюминия (отметим для сравнения, что содержание железа в ней — 4, 2%, меди — 0, 003%, а золота — 0, 000005%). Однако этот химически активный металл не может существовать в свободном состоянии и встречается только в виде различных и очень разнообразных по своему составу соединений. Основная их масса приходится на оксид алюминия (Al2O3). Это соединение каждый из нас встречал не один раз — в обиходе оно называется глиноземом, или просто глиной. Глина примерно на треть состоит из оксида алюминия и является потенциальным сырьем для его производства. Вся трудность состоит в том, чтобы восстановить алюминий (отнять у него кислород). Химическим путем добиться этого чрезвычайно сложно, так как связь двух элементов здесь очень прочная. Уже первое знакомство с алюминием наглядно продемонстрировало все сложности, которые ожидали ученых на этом пути. В 1825 году датскому физику Гансу Эрстеду впервые удалось получить металлический алюминий в свободном состоянии из его оксида. Для этого Эрстед прежде всего смешал глинозем с углем, раскалил эту смесь и пропустил через нее хлор. В результате получился хлористый алюминий (AlCl3). В то время уже было известно, что химически более активные металлы способны вытеснять менее активные из их солей. Эрстед подверг хлористый алюминий действию калия, растворенного в ртути (амальгамой калия) и получил амальгаму алюминия (при быстром нагревании хлористого алюминия с амальгамой калия образовался хлористый калий, алюминий же ушел в раствор). Подвергнув эту смесь дистилляции, Эрстед выделил небольшие слитки алюминия. Несколько другим способом алюминий получил в 1827 году немецкий химик Велер, который пропускал пары хлористого алюминия над металлическим калием (при этом, как и в реакции Эрстеда химически, более активный калий вытеснял алюминий и сам соединялся с хлором). Но оба способа не могли применяться в промышленности, так как для восстановления алюминия здесь использовался очень дорогой калий. Позже французский физик Сен‑Клер‑Девилль разработал другой химический процесс получения алюминия, заменив калий более дешевым, но все же достаточно дорогим натрием. (Суть этого способа заключалась в том, что хлористый алюминий нагревали с натрием, который вытеснял алюминий из соли, заставляя его выделяться в виде небольших корольков.) На протяжении нескольких десятилетий алюминий получали именно таким образом. Исследуя свойства алюминия, Девилль пришел к заключению, что тот может в будущем иметь огромное значение для техники. В своем докладе Французской академии наук он писал: «Этот металл, белый и блестящий, как серебро, не чернеющий на воздухе, поддающийся переплавке, ковке и протяжке, обладающий к тому же замечательной легкостью, может оказаться очень полезным, если удастся найти простой способ его получения. Если далее вспомнить, что этот металл чрезвычайно распространен, что его рудой является глина, то можно лишь пожелать, чтобы он нашел широкое применение». Первые слитки алюминия, полученные Девиллем, демонстрировались на всемирной Парижской выставке в 1855 году и вызвали к себе живейший интерес. В 1856 году на заводе братьев Тисье в Руане Девилль организовал первое промышленное предприятие по выпуску алюминия. При этом стоимость 1 кг алюминия сначала равнялась 300 франкам. Через несколько лет удалось снизить продажную цену до 200 франков за 1 кг, но все равно она оставалась исключительно высокой. Алюминий в это время употребляли как полудрагоценный металл для производства различных безделушек, причем он приобрел в этом виде даже некоторую популярность из‑за своего белого цвета и приятного блеска. Впрочем, по мере совершенствования химических методов выделения алюминия цена на него с годами падала. Например, завод в Олбери (Англия) в середине 80х гг. выпускал до 250 кг алюминия в день и продавал его по цене 30 шиллингов за кг, иными словами, цена его за 30 лет снизилась в 25 раз. Уже в середине XIX века некоторые химики указывали на то, что алюминий можно получать путем электролиза. В 1854 году Бунзен получил алюминий путем электролиза расплава хлористого алюминия. Почти одновременно с Бунзеном получил электролитическим путем алюминий Девилль. Аппарат Девилля состоял из фарфорового тигля P, вставленного в пористый глиняный тигель H и снабженного крышкой D, в которой имелась щель для ввода платинового электрода K и большое отверстие для пористого глиняного сосуда R. В последнем был помещен угольный стержень A, являвшийся положительным электродом. Тигель и глиняный сосуд заполнялись до одного уровня расплавленным двойным хлоридом алюминия и натрия (двойной хлорид получали путем смешивания двух частей сухого хлорида алюминия и поваренной соли). После погружения электродов уже при небольшом токе в расплаве начиналось разложение двойного хлорида, и на платиновой пластинке выделялся металлический алюминий. Однако в то время нельзя было и думать о том, чтобы поддерживать соединения в расплавленном состоянии, пользуясь только нагреванием при прохождении тока. Приходилось поддерживать необходимую температуру другим способом извне. Это обстоятельство, а также то, что электроэнергия в те годы стоила очень дорого, помешало распространению данного способа производства алюминия. Условия для его распространения возникли только после появления мощных генераторов постоянного тока. В 1878 году Сименс изобрел электрическую дуговую печь, применявшуюся прежде всего при плавке железа. Она состояла из угольного или графитового тигля, являвшегося одним полюсом. Вторым полюсом служил расположенный сверху угольный электрод, который перемещался внутри тигля в вертикальной плоскости для регулирования электрического режима. При заполнении тигля шихтой она нагревалась и расплавлялась или электрической дугой или за счет сопротивления самой шихты при прохождении через нее тока. Никаких внешних источников тепла для печи Сименса не требовалось. Создание этой печи стало важным событием не только для черной, но и для цветной металлургии. Теперь все условия для электролитического способа производства алюминия были налицо. Дело оставалось за разработкой технологии процесса. Вообще говоря, алюминий можно получать непосредственно из глинозема, но трудность заключалась в том, что оксид алюминия очень тугоплавкое соединение, которое переходит в жидкое состояние при температуре около 2050 градусов. Для того чтобы нагреть глинозем до такой температуры и затем поддерживать ее во время реакции, требовалось огромное количество электроэнергии. В то время этот способ казался неоправданно дорогим. Химики искали иной путь, пытаясь выделить алюминий из какого‑нибудь другого менее тугоплавкого вещества. В 1885 году эту задачу независимо друг от друга разрешили француз Эру и американец Холл. Любопытно, что обоим в момент, когда они совершили свое выдающееся открытие, было по 22 года (и тот и другой родились в 1863 г.). Эру еще с 15 лет, после того как познакомился с книгой Девилля, постоянно думал об алюминии. Основные принципы электролиза он разработал, еще будучи студентом, в 20 лет. В 1885 году после смерти отца Эру унаследовал небольшую кожевенную фабрику близ Парижа и немедленно принялся за опыты. Он приобрел электрогенератор Грамма и сначала попробовал разложить электрическим током водные растворы солей алюминия. Потерпев на этом пути неудачу, он решил подвергнуть электролизу расплавленный криолит — минерал, в состав которого входит алюминий (химическая формула криолита Na3AlF6). Опыты Эру начал в железном тигле, который служил катодом, а анодом являлся опущенный в расплав угольный стержень. Поначалу ничего не обещало успеха. При пропускании тока железо тигля вступило в реакцию с криолитом, образовав легкоплавкий сплав. Тигель расплавился, и содержимое его вылилось наружу. Никакого алюминия Эру таким путем не получил. Однако криолит представлял собой очень заманчивое сырье, поскольку плавился при температуре всего 950 градусов. Эру пришла мысль, что расплав этого минерала можно использовать для растворения более тугоплавких солей алюминия. Это была очень плодотворная идея. Но какую соль избрать для опытов? Эру решил начать с той, которая давно уже служила сырьем для химического производства алюминия — с двойного хлорида алюминия и натрия. И тут при проведении эксперимента произошла ошибка, которая и привела его к замечательному открытию. Расплавив криолит и добавив к нему двойной хлорид алюминия и натрия, Эру неожиданно заметил, что угольный анод начал быстро обгорать. Объяснение этому могло быть только одно — в ходе электролиза на аноде стал выделяться кислород, вступавший в реакцию с углеродом. Но откуда мог взяться кислород? Эру внимательно изучил все купленные реактивы и тут обнаружил, что двойной хлорид разложился под действием влаги и превратился в глинозем. Тогда все происшедшее стало ему понятно: оксид алюминия (глинозем) растворился в расплавленном криолите и молекула Al2O3 распалась на ионы алюминия и кислорода. Далее в ходе электролиза отрицательно заряженные ионы кислорода отдавали аноду свои электроны и восстанавливались в химический кислород. Но в таком случае, какое вещество восстанавливалось на катоде? Им мог быть только алюминий. Поняв это, Эру уже намеренно добавил глинозем к расплаву криолита и таким образом получил на дне тигля корольки металлического алюминия. Так был открыт применяющийся по сей день способ получения алюминия из глинозема, растворенного в криолите. (Криолит не участвует в химической реакции, его количество в ходе электролиза не уменьшается — он используется здесь только как растворитель. Процесс идет следующим образом: к расплаву криолита периодически добавляют порциями глинозем; в результате электролиза на аноде выделяется кислород, а на катоде — алюминий.) На два месяца позже точно такой же способ производства алюминия открыл американец Холл. На свое изобретение Эру в апреле 1886 года получил первый патент. В нем он еще не отказался от внешнего нагревания ванны с электролитом для поддержания нужной температуры расплава. Но уже в следующем году он взял второй патент на способ получения алюминиевой бронзы, в котором отказался от внешнего нагрева и писал, что «электрический ток производит достаточное количества тепла для того, чтобы глинозем поддерживать в расплавленном состоянии». Поскольку никто во Франции не заинтересовался его открытием, Эру уехал в Швейцарию. В 1887 году компания «Сыновья Негер» подписала с ним контракт о реализации его изобретения. Вскоре было основано Швейцарское металлургическое общество, которое на заводе в Нейгаузене развернуло производство сначала алюминиевой бронзы, а потом чистого алюминия. Промышленную установку для электролиза алюминия, также как и всю технологию производства, разработал Эру. Печь представляла собой железный ящик, изолированно установленный на земле. Поверхность ванны изнутри была покрыта толстыми угольными пластинами, которые являлись отрицательным электродом (катодом). Сверху в ванну опускался положительный электрод (анод), который представлял собой пакет угольных стержней. Электролиз происходил при очень сильном токе (порядка 4000 ампер), но при небольшом напряжении (всего 12‑15 вольт). Большая сила тока, как уже говорилось в предыдущих главах, приводила к значительному повышению температуры. Криолит быстро плавился, и начиналась электрохимическая реакция восстановления, в ходе которой металлический алюминий собирался на угольном полу ванны. Уже в 1890 году завод в Нейгаузене получил свыше 40 тонн алюминия, а вскоре стал выпускать по 450 тонн алюминия в год. Успехи швейцарцев вдохновили французских промышленников. В Париже образовалось электротехническое общество, которое в 1889 году предложило Эру стать директором вновь основанного алюминиевого завода. Через несколько лет Эру основал в разных частях Франции, где имелась дешевая электрическая энергия, еще несколько алюминиевых заводов. Цены на алюминий постепенно упали в десятки раз. Медленно, но неуклонно этот замечательный металл стал завоевывать свое место в человеческой жизни, сделавшись вскоре столь же необходимым, как известные с глубокой древности железо и медь. жүктеу/скачать 8,62 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|