1.2. ПРОСТЕЙШАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Генератор. В установке, схематически изображенной на рис. 1.1, основным является источник электрического тока — генератор. Он преобразует подведенную к нему механическую энергию в электромагнитную. В генераторе механическая энергия, сообщаемая ему валом двигателя, преобразуется в электрическую энергию, направленную по проводам. Работу генератора мы рассмотрим потом, а пока ограничимся указанием на то, что генератор может служить источником электрического тока и механический двигатель затрачивает на его вращение тем большую мощность, чем большую мощность отдает генератор.

Простейший генератор имеет два зажима; к ним присоединяются две металлические (например, медные или алюминиевые) проволоки, соединяющие генератор с потребителем.

На рисунке потребитель представлен в виде всем известных электрических ламп накаливания.

Внимательно присмотревшись к рисунку, мы видим, что цепь электрического тока является замкнутой. Здесь имеется несколько замкнутых цепей из металлических Проводников. Идя вдоль провода, попадаем к одному из зажимов лампы накаливания, проходим через ее металлическую нить, затем возвращаемся по обратному проводу через амперметр и рубильник к левому генераторному зажиму.

Замкнутость электрической цепи есть необходимое условие для протекания электрического тока.

Рис. 1.1. Простейшая электрическая установка. Генератор снабжает энергией лампы накаливания: 1 — генератор; 2 — вольтметр; 3 — амперметр

Если разомкнуть рубильник, показанный на рис. 1.1, то цепь тока окажется прерванной, ток в цепи протекать не будет и лампы погаснут.

То же самое получится, если лампа (рис. 1.2) «перегорит», т. е. расплавится ее металлическая нить. И в этом случае электрическая цепь окажется незамкнутой.

Ток. Для контроля за работой установки в нее включены два измерительных прибора. Один из них измеряет ток.

Этот прибор получил название амперметра, потому что в качестве единицы электрического тока принят ампер. Эта единица сокращенно обозначается буквой А. Амперметр включается в рассечку проводов: цепь тока разрезается, и в месте разреза концы проводов присоединяются к двум металлическим зажимам амперметра.

Электрический ток в комнатных лампах — порядка 0,5-1 А.

В электрической плитке (подключаемой к сети 220 В) ток порядка 2—4 А.

В линиях передачи высокого напряжения ток достигает сотен и тысяч ампер. При коротких замыканиях в кабельной сети токи нередко достигают десятка тысяч ампер.

Рис. 1.2. Электрическая лампа накаливания. Стрелками показаны точки, которыми лампа присоединяется к проводам

В линиях связи применяют небольшие токи — например токи, текущие в телефонном аппарате, составляют сотые доли ампера.

Токи молний достигают сотен тысяч ампер.

Напряжение. Другой прибор, включенный между проводами, измеряет существующее между ними электрическое напряжение.

Единицей электрического напряжения является вольт. Эта единица сокращенно обозначается буквой В. Поэтому прибор, измеряющий напряжение, носит название вольтметра.

Напряжение домовой осветительной сети обычно равно 12? или 220 В. Напряжение трамвайной сети 600 В. В линиях передачи высокого напряжения оно достигает сотен тысяч вольт. Напряжения, возникающие в человеческом теле, — по ним врачи судят о работе сердца, мозга и других частей нашего организма, — очень малы. Так, электрокардиограф — прибор, записывающий работу сердца, — отмечает напряжения, составляющие одну стотысячную долю вольта.

Автомобильные аккумуляторы имеют напряжение 6 или 12 В, батарея карманного фонаря — около 4 В.

Напряжение и ток являются основными показателями того, что происходит в электрической цепи.

Во всякой электрической установке можно выделить следующие основные части: провода; разъединяющие аппараты; потребители; измерительные приборы; генераторы.

С устройством измерительных приборов и генератора мы ознакомимся дальше, а здесь рассмотрим остальные части электрической установки.

Провода. Металлические провода, связывающие генератор с потребителем, имеют назначение, подобное назначению трубопровода: по ним движется электричество.

Движущееся электричество называют электрическим током.

Электрический ток проходит в толще металла, так же как вода или пар проходит внутри труб. Провода для большей гибкости иногда делаются скрученными из нескольких отдельных проволок.

Скрученная вместе пара проводов, каждый из которых состоит из тонких проволок, образует шнур. Шнуры применяют для осветительной проводки.

Изоляция. Роль стенок трубопровода в данном случае играет воздух, окружающий проволоку, или слой изолирующего материала, покрывающий проволоку.

Рис. 1.3. Фарфоровые изоляторы (ролики) низкого напряжения (127, 220 В)

Рис. 1.4. Цепочка изоляторов, поддерживающих провод высокого напряжения (110 кВ)

Рис. 1,5. Выключатель, используемый в осветительной сети. Если нажать на левый край клавиши 1, то ее нижний конец повернется, шарик 4 покатится по качающемуся рычагу 3 и повернет его. На конце рычага установлены контакты 2, которые замкнут электрическую цепь. Пружина 5 ускоряет срабатывание выключателя. После того как шарик пройдет точку закрепления рычага, его скорость уже не зависит от того, быстро или медленно нажимают на клавишу. Контакты замыкаются и размыкаются очень быстро

Таким изолирующим материалом могут служить: бумага, пропитанная смесью минерального масла с канифолью (вид смолы), резина, шелк, проклеенная лаком слюда, фарфор, пластмасса и т. п. Дело в том, что электрический ток, свободно проходя через металл, не может проходить через воздух, через резину, бумагу и другие электроизолирующие материалы.

Когда берут провод в виде голой проволоки, то изоляцией служит воздух. Но проволока ведь должна быть как-то прикреплена к стенам или специальным опорам, а материал стен и опор не является достаточно изолирующим — по нему. хоть и плохо, но может проходить ток. Поэтому применяют специальные изоляторы, на которых крепят провода к стене или другим опорам.

Если изоляция слишком тонка или недостаточно высокого качества, может произойти ее разрушение или, как говорят, пробой.

Провод, применяемый для осветительной проводки в закрытых помещениях, легко выдерживает напряжение 100, 200 и даже 500 В, но не пробуйте присоединить его к источнику тока с напряжением в несколько тысяч вольт. Изоляция будет пробита, и ток будет замыкаться через искру, образующуюся в месте пробоя; воздух, раскаленный током, проводит электричество почти так же хорошо, как и металлический провод.

Точно так же в случае воздушных проводов при высоких напряжениях необходимо оставлять достаточное расстояние между проводами, а также между проводами и стеной или опорой. Кроме того, и фарфоровые изоляторы нужно выбирать подходящими для данного напряжения.

На рис. 1.3 и 1.4 показаны фарфоровые изоляторы для низкого и высокого напряжений.

Разъединяющие аппараты. Для того чтобы отключить электрическую установку, нужно рассечь провод и оба конца отделить друг от друга слоем сплошной изоляции. Такой изоляцией в простейшем случае может служить воздух.

На рис. 1.5 изображен наиболее распространенный электрический аппарат для разрыва цепи — выключатель, применяемый для включения и выключения ламп накаливания.. В одном положении он соединяет подходящие к нему провода металлической пластинкой, в другом положении он создает между ними разрыв электрической цепи, вводя между концами проводов изолирующее вещество (фарфор, фибру). Такого рода выключатели приспособлены для выключения небольших токов (несколько ампер), проходящих в осветительной сети.

На рис. 1.6 изображен рубильник. На изолирующей пластине крепятся два конца, принадлежащие двум проводам электрической цепи.

Рис. 1.6. Схема рубильника: 1 — неподвижный контакт рубильника; 2 — стойка; 3 — основной подвижный контакт («нож») рубильника; 4 — пружина; 5 — вспомогательный контакт, который остается некоторое время замкнутым при движении ножа вправо. Электрическая дуга возникает на вспомогательном контакте, а основной контакт защищен от разрушения. Кроме того, вспомогательный контакт размыкается под действием пружины 4 и скорость размыкания контактов не зависит от скорости движения рукоятки рубильника

Эти концы соединены со специальными пружинящими гнездами, в которые укладываются два металлических ножа. С нижними гнездами ножи соединены при помощи металлических осей, вокруг которых они могут поворачиваться.

Когда ножи выключателя (рубильника) опущены, путь току прегражден, так как ток не может проходить по воздуху.

Такой рубильник может разрывать цепь с током в десятки и сотни ампер (разумеется, при соответствующей конструкции). Разрывать рубильником большие токи не рекомендуется.

Более сложные и совершенные выключатели будут рассмотрены в гл. 13.

Потребитель. Рассмотрим теперь ту часть схемы, которую мы называем потребителем или нагрузкой. В нашей схеме (рис. 1.1) в качестве потребителя показаны лампы накаливания.

Когда цепь тока замыкается через тонкую нить лампы, эта нить накаливается и начинает светиться. Для того чтобы предотвратить сгорание нити, ее заключают в стеклянную колбу, внутри которой нет кислорода, необходимого для всякого горения.

В современных лампах не ограничиваются удалением кислорода и других вредных газов, а заполняют колбы азотом или аргоном, т. е. газами, не способными поддерживать горение. Если лампочка в конце концов перегорает, то это происходит от распыления металлического волоска под влиянием электрических сил или же вследствие его поломки.

Лампочка накаливания — самый распространенный бытовой потребитель.

В промышленности и на транспорте потребителем электрической энергии служат разнообразные электрические двигатели, электрические печи и другие технологические установки.