ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ. Настоящая книга предназначается для малоподготовленных читателей, знакомых по своей практической работе с электрическим током.

Читатель найдет в этой книге начальные сведения по электричеству, необходимые для понимания последующих руководств по специальным разделам электротехники.

Необходимо, однако, иметь в виду, что сведения, сообщаемые в данной книге, недостаточны для полного понимания электрических явлений. Это - только начало. Кто хочет по-настоящему овладеть электротехникой, тот должен заниматься своим общим образованием. Надо изучать алгебру, геометрию, физику, механику. Тогда можно гораздо основательнее познакомиться с теорией, необходимой для сознательной работы в области электротехники.

В новом издании предлагаемой книги расширены разделы, посвященные физическим явлениям, на которых основана современная электротехника.

Кроме авторов, в переработке и написании ряда разделов приняли участие Ю. М. Шамаев и М. Г. Витков (в основном гл. 6-9) и М. К. Поливанов (гл. 1). Ряд ценных указаний был сделан Н. Н. Мансуровым. За участие в работе авторы приносят им свою благодарность.

В. Ю. Ломоносов К. М. Поливанов

ВВЕДЕНИЕ

О световых явлениях мы судим по тому раздражению, которое испытывает наш глаз под действием световых волн. Звук воспринимается нашим ухом. Тепло осязается нашей кожей. Но органов чувств, которые позволили бы нам видеть, слышать или осязать электрические явления, у нас нет (если не говорить о неприятном ощущении, вызываемом током, когда он проходит по нашему телу). В этом - общепризнанная трудность для каждого приступающего к изучению электротехники.

Предметом электротехники является техническое применение электричества. С этими применениями мы встречаемся буквально на каждом шагу, и с каждым днем они становятся все разнообразнее. Электричество проникло во все стороны нашей личной и общественной жизни. Электрическое освещение, электрические двигатели, электрический транспорт, электрические печи, электрические виды связи прочно вошли в наш быт.

Электрификация Советского Союза неразрывно связана с именем В. И. Ленина. Формула Ленина Коммунизм - это есть советская власть плюс электрификация всей страны дает ключ к пониманию задач, которые стоят перед электрификацией нашей Родины. Исчерпывающая характеристика этих задач дана Лениным на III съезде комсомола в 1920 г.

Мы знаем, что коммунистического общества нельзя построить, если не возродить промышленности и земледелия, причем надо возродить их не по-старому. Надо возродить их на современной, по последнему слову науки построенной, основе. Вы знаете, что этой основой является электричество, что только, когда произойдет электрификация всей страны, всех отраслей промышленности и земледелия, когда вы эту задачу освоите, только тогда вы для себя смо-

ж ere построить то коммунистическое общество, которого не сможет построить старое поколение. Перед вами стоит задача хозяйственного возрождения всей страны, реорганизация, восстановление и земледелия, и промышленности на современной технической основе, которая покоится на современной науке, технике, на электричестве. Вы прекрасно понимаете, что к электрификации неграмотные люди не подойдут, и мало тут одной простой грамотности. Здесь недостаточно понимать, что такое электричество: надо знать, как технически приложить его и к промышленности, и к земледелию, и к отдельным отраслям промышленное и земледелия. Надо научиться этому самим, надо научить этому все подрастающее трудящееся поколение . 1

Развивая эту мысль, Н. С. Хрущев в своем выступлении на Всесоюзном совещании по энергетическому строительству сказал:

Экономическая сторона строительства коммунизма,- то, что Ленин выразил словами плюс электрификация всей страны , приобретает все большее значение, я бы сказал, решающее значение на данном этапе.

Что такое электрификация всей страны? Это - основа основ развития народного хозяйства. Без осуществления электрификации нельзя на современном этапе успешно и быстро двигать вперед и тяжелую индустрию и строительство, транспорт и сельское хозяйство, производство товаров народного потребления, нельзя поднять культуру производства и быта. Электрифицировать всю страну - это значит дать могучую энергию новому обществу, ускорить развитие его производительных сил. Общество, в котором власть принадлежит рабочему классу, трудовому народу, впервые получает возможность развивать свою экономику по единому плану, в интересах народа .

Выступая на XXII съезде с докладом о Программе Коммунистической партии Советского Союза, Н. С. Хрущев указал пути развития советской электроэнергетики в течение ближайших 2 десятилетий:

В течение двадцати лет предстоит построить сто восемьдесят мощных гидроэлектростанций, около двухсот районных тепловых электростанций мощностью до трех миллионов киловатт каждая, а также двести шестьдесят крупных теплоэлектроцентралей.

В Восточной Сибири, помимо завершения Братской и

1 В. И. Ленин, Собрание сочинений, т. 31, стр. 264

Красноярской ГЭС, намечается построить на Ангаре и Енисее к 1980 году еще несколько таких мощных гидроэлектростанций, как Саянская, Усть-Илимская, Богучанская, Енисейская, Осиновская, а также Нижне-Тунгусская. Мощность каждой из них превысит четыре миллиона киловатт.

Кроме того, здесь же на базе углей Канско-Ачинского бассейна будут созданы две группы высокоэкономичных сверхмощных тепловых электростанций: в районе Красноярска- Итатско-Боготольская и в районе Канск - Тайшет- Ирша-Бородинская по три миллиона киловатт и больше каждая электростанция.

В Средней Азии будут возведены крупные гидроэлектростанции, имеющие комплексное значение как для развития электрификации, так и для ирригации. Среди этих электростанций Нурекская и Рогунская на реке Вахш, Токтогуль-ская и Тогузтороуская на реке Нарын. В Казахстане появится ряд крупных электростанций, в том числе Иртышская энергетическая группа.

Сооружением Саратовской, Нижне-Волжской и Чебоксарской ГЭС и двух электростанций на Каме будет завершен Волжско-Камский каскад гидроэлектростанций. В единую энергосистему Европейской части страны будет давать свою энергию Нижне-Обская ГЭС мощностью до шести миллионов киловатт. Кроме того, намечается построить ряд мощных тепловых станций в районе Саратова, Волгограда, Горького, в районе Куйбышев - Уфа - Оренбург.

Мощные тепловые электростанции возникнут в Центральном и Центрально-черноземном районах Европейской части Союза, к югу и на северо-восток от Москвы, на Украине в районе Киева, Кировограда и Николаева, в Донбассе, в Латвии и Белоруссии. Развитие энергетики Кавказа будет базироваться на использовании гидроресурсов и других источников энергетики.

В результате осуществления плана будут решены такие важные проблемы, как проблемы Большой Волги и Большого Днепра Это, конечно, потребует немалых капиталовложений. Но они будут возмещены в сравнительно короткий срок. Подсчеты показывают, что выработка дешевой электроэнергии на волжско-камских и днепровских гидроэлектростанциях увеличится почти вдвое. Свыше Двадцати миллионов гектаров засушливых земель Заволжья и Юга будут застрахованы от случайностей погоды, станет возможным осушить более четырех миллионов гектаров заболоченных земель Полесья и Прибалтики .

Такие темпы строительства, невиданные ни у нас, ни за рубежом, приведут к увеличению в несколько раз выработки электроэнергии. В Программе КПСС записано:

Электрификация, являющаяся стержнем строительства экономики коммунистического общества, играет ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, в осуществлении всего современного технического прогресса. Поэтому необходимо обеспечить опережающие темпы производства электроэнергии. План электрификации страны предусматривает: увеличение в ближайшее десятилетие электровооруженности труда в промышленности почти в три раза; широкое развертывание на базе дешевой электроэнергии электроемких производств; осуществление массовой электрификации транспорта, сельского хозяйства, быта городского и сельского населения. Во втором десятилетии электрификация всей страны будет в основном завершена.

Годовое производство электроэнергии должно быть доведено к концу десятилетия примерно до 900-1000 миллиардов, а к концу второго десятилетия-до 2700-3000 миллиардов киловатт-часов. Для этого потребуется в течение двадцатилетия соответственно увеличить мощности электростанций, построить сотни тысяч километров высоковольтных магистральных и распределительных сетей во всех районах страны. Будет создана единая энергетическая система СССР, располагающая достаточными резервами мощностей, позволяющая перебрасывать электроэнергию из восточных районов в Европейскую часть страны и связанная с энергосистемами других социалистических стран.

По мере удешевления производства атомной энергии развернется строительство атомных электростанций, особенно в районах с недостатком других источников энергии, расширится применение атомной энергии в мирных целях в народном хозяйстве, медицине, науке .

Новейшая техника предъявляет высокие требования к рабочим и техническому персоналу. Непрерывно совершенствовать свои знания-долг трудящихся нашей страны.

Наша книга призвана оказать помощь в изучении основ электротехники.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

НАЧАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ

ЭНЕРГИЯ И РАБОТА

Энергией называется способность совершать работу.

При совершении работы энергия тратится. Так, мускулы руки, поднимая груз, совершают работу. На это человек затрачивает некоторую энергию.

Пример. Механизм подъемника также совершает работу при подъеме груза. Но кран поднимает груз только тогда, когда его лебедки приведены в движение. Двигатель совершает работу над механизмом крана и при этом передает ему часть своей энергии в форме работы, совершенной над ним. Но если это двигатель внутреннего сгорания, , то его рабочий процесс должен все время поддерживаться новыми порциями топлива (бензина, керосина, соляровых масел); если же это электрический двигатель, то он работает только тогда, когда он включен в сеть и через его обмотки течет электрический ток.

Законы преобразования энергии. Что же в нашем примере окажется первоначальным источником энергии, совершающим работу?

Ответ ясен: горючее в первом случае, электрический ток - во втором.

Положение таково:

Энергия не является постоянным свойством тела: тело может терять ее и приобретать вновь.

Приобретение энергии и ее потеря происходят при некоторых вполне определенных условиях. Каковы же эти, условия? О первом мы сказали в самом начале:

Энергия тратится при совершении работы.

Второе условие таково:

Энергия приобретается телом, когда над ним совершается некоторая работа.

Например, поднятый груз обладает энергией. За этими положениями угадывается новое.

Энергия не уничтожается и не создается вновь; она только переходит от одного тела к другому и при этом может существовать в разных формах.

Последние слова выражают один из основных законов природы. Закон сохранения энергии лежит в основе физической науки, а следовательно, в конечном итоге и в основе всех технических приложений.

Превращения энергии. Все сказанное - это результат обобщения прямых наблюдений и опытов. Для их подтверждения и уяснения подробно разберем первый случай нашего примера.

Бензин, сгорая, превращается в значительно большее по объему количество газа. Сжатый в маленьком объеме газ, расширяясь, толкает поршень цилиндра и при этом совершает работу. Следовательно, бензин обладал энергией, которая в процессе сгорания перешла в энергию упругости сжатого газа. Расширяющийся газ совершил работу над поршнем, который он привел в движение. Тем самым он лишился способности совершать работу - потерял избыток энергии. Но движущиеся поршни приобрели энергию. Через систему лебедок и блоков эта энергия, уже преобразованная опять в форме энергии поступательного движения, доходит до крюка подъемника, который, двигаясь вверх, поднимает груз, т. е. совершает над ним работу (рис. 1-1).

Груз поднятый на некоторую высоту, оказывается сам носителем избытка энергии, так как, падая вниз, он может работать. Его энергия называется п о те н ц и а л ь н о й или анергией положения в отличие от энергии, которой обладает движущееся тело,-кинетической или энергии движения.

Рассеяние энергии. Коэффициент полезного действия. Для проверки закона сохранения энергии необходимо измерять энергию и работу, которую может совершать обладающее ею тело. Достаточно измерить одну лишь работу, так как при совершении равных работ затрачивается равная энергия. 14

ии что мы измерили энергию бензина и энергию П°Л°птелГПри сравнении их мы заметим, что бензин, поднятогоi тела i v у значитеЛЬН0 большую работу, чем СГ°бРотЯа иоднятияРгРУза на ту высоту, на которую он поднят.

Рис. 1-1. Энергия топлива передается поднимаемому грузу. Каждое промежуточное звено работает и при этом передает свою энергию следующем} звену.

Однако это кажущееся противоречие не опровергает основной закон сохранения энергии, а только подтверждает его. Вникнем глубже в этот процесс. Окажется, что отработавшие газы сгоревшего бензина, выброшенные в воздух, еще обладали некоторой энергией, которая ушла на нагревание воздуха. Дальше: все известно, что при трении тела нагреваются. Нагрелись из-за трения блоки крана На это тоже пошла энергия.

Вывод. Энергия рассеялась, т. е. пошла на совершение непродуктивных, бесполезных работ. Если мы учтем и рассеянную и полезно израсходованную энергию, мы получим в точности то же значение, которое получили, подсчитав энаргию, выделенную при сгорании бензина.

Закон сохранения выполнен, но здесь мы столкнулись с другим очень важным явлением, которое тоже обладает характером закона природы:

Некоторая часть энергии теряется впустую (рассеивается).

В технике содержание этой закономерности выражает так называемый коэффициент полезного действия, т. е. отношение полезно затраченной энергии (перешедшей в полезную работу) ко всей энергии, затраченной в процессе:

л полезно затраченная энергия

К. п. О.-----------

вся энергия

или в буквах:

здесь W - полная энергия;

W - рассеянная энергия.

Ясно, что к. п. д. всегда меньше единицы.

Измерение работы. Теперь обратимся к измерению энер-i ии, или, что то же, к измерению совершаемой работы. Можно измерять работу, скажем, количеством сожженного бензина или потраченной электроэнергии. Однако в таком случае нам пришлось бы добавочно находить рассеянную энергию, что обычно сопряжено с большими трудностями.

Кроме того, двигатели могут быть самыми различными, а в таком случае мы не получим возможности единообразно измерять одну и ту же физическую величину. Последнее в любых измерениях очень важно. Поэтому естественно обратиться к последнему звену цепи преобразований и измерять работу поднятия груза на высоту.

Тогда мы увидим, что количество совершенной работы зависит от обоих условий сразу: и от величины груза и от высоты подъема. Зависимость такова: чем больше величина груза, тем больше работа, и чем больше высота подъема, тем также больше работа. Математически ясно, что такая зависимость от двух величин (называемая прямой пропорциональностью) выражается их произведением. 16

j-io работа совершается не только при подъеме. Работа свершается также при движении вагонетки по рельсам °пи при вращении мельничного жернова. В этих случаях Цло остается на прежней высоте, однако оно перемещается в пространстве. В общем случае место высоты занимает путь а место груза (веса) - сила, которая может быть: силой тяжести, силой трения, силой инерции или любой

другой.

Закон таков:

Работа измеряется произведением величины той силы, которая двигает тело, и длины пройденного пути.

Кратко:

работа = сила X путь или, пользуясь буквами,

A=F-l,

где A, F, I-принятые обозначения соответственно для работы, силы и пути.

Для того чтобы последняя формула была правильной, надо добавить, что в ней сила и путь должны быть направлены одинаково, так как только сила, совпадающая по направлению с путем, совершает работу. Если же сила направлена как-то иначе, то всегда можно разложить ее на части, из которых одна будет совпадать с направлением пути, а другая будет ему перпендикулярна. Можно показать, что сила, перпендикулярная, скажем, к направлению рельсов (т. е. направлению движения), не будет двигать вагонетки, а значит, не будет совершать работы.

Разложению поддается не только сила, но и путь. Стрела крана, поднимая и одновременно перенося груз, будет работать против силы тяжести только при подъеме, и работа определится не всем путем груза, а только той его составляющей, которая определит подъем.

Таким образом, измерение работы свелось к измерению Длины (путь) и силы. Полагаем общеизвестным измерение пути и переходим к обсуждению понятия силы и способов ее измерения.

1-2. МАССА. СИЛА. УСКОРЕНИЕ.

Поднимая тело, мы прикладываем к нему силу, кото-Рая преодолевает силу притяжения к земле-силу тяже-