Покоренная плазма

Глава XII Когда плазма становится врагом

…12 октября 1939 года. Хмурым утром в этот день серебристая капля стратостата «СССР ВР-60 Комсомол» плавно ушла ввысь и вскоре исчезла за облаками.

Стратостат был необычным. По желанию экипажа он мог превращаться в парашют и медленно опускаться на землю.

Конструктором этого стратостата был замечательный специалист по воздухоплаванию Тихон Макарович Кулинченко. Несколько лет упорного труда потратил он, чтобы создать этот стратостат-парашют.

В герметически закрытой гондоле было трое смельчаков: два Александра — Фомин и Крикун — и Михаил Волков. Все трое были опытными аэронавтами.

Полет проходил удачно. За три часа стратостат забрался на заданную высоту — около семнадцати тысяч метров. Научная аппаратура работала безотказно: непрерывно щелкал ионизационный счетчик космических лучей, делались снимки оболочки стратостата, регулярно брались пробы воздуха. По радио велась регулярная связь с землей.

Пора спускаться! Аэронавты начали выпускать из оболочки водород. Оболочка постепенно стала «худеть» и превратилась вскоре в гигантский парашют.

Расчеты конструктора оправдались.

И вдруг случилось непредвиденное. Это произошло на высоте десяти тысяч метров.

Михаил Волков, фотографируя через иллюминатор оболочку-парашют, увидел, как она вспыхнула, словно факел. Гондола стала стремительно падать.

Смельчаки не растерялись. Они пристегнули парашюты, открыли на высоте четырех с половиной тысяч метров люк и по одному стали прыгать навстречу воздушному вихрю.

Последним покинул гондолу Александр Фомин. Спускаясь на парашюте, он не отрываясь следил за падающей гондолой. Та, ударившись о землю, вспыхнула.

«Надо спасать научные записи!» — решил командир экипажа. Едва приземлившись, он бросился к гондоле и стал гасить огонь.

Так закончился героический полет трех смельчаков.

Что же было причиной катастрофы?

Плазма. Маленькая непрошеная искорка, сверкнувшая на высоте десяти тысяч метров.

При полете самолетов и аэростатов на их поверхности постоянно накапливаются электрические заряды. Причина — трение о воздух. Эти заряды неподвижны, поэтому они называются статическими. Когда зарядов скопится много, то может возникнуть разряд в виде искры — виновницы пожара.

На стратостате «СССР ВР-60 Комсомол» так и случилось. Ничтожное количество плазмы вызвало катастрофу.

Особенно опасно возникновение статического электричества там, где имеются пары легковоспламеняющихся жидкостей.

Некоторые из вас, наверно, обращали внимание на бензовозы — автомашины с установленными на них цилиндрическими цистернами. Мчится такой бензовоз и по дороге тащит за собой обрывок металлической цепочки. Для чего она? Чтобы не возникла искра и не подожгла бензин. Заряды, появляющиеся от трения бензина о стенки цистерны, собраться в опасную точку не успевают. Они по цепочке уходят в землю.

Просто и надежно.

Страшным врагом является электрическая искра на некоторых химических производствах и в шахтах. Она может взорвать целый завод и погубить под землей сотни жизней. Чтобы этого не случилось, принимают специальные меры, исключающие возникновение искрения в электрических цепях и устройствах.

Выходит, в некоторых случаях плазма может стать врагом, жестоким и коварным. Чтобы этот враг не приносил вреда, с ним борются, стараются обезвредить.

Люди научились не только заставлять плазму выполнять всевозможную работу, но и сумели там, где нужно, «расправиться» с ней, свести на нет все нежелательные последствия, которые она может вызвать.

Многие, не знающие коварный характер молний, расчерчивающих огненными зигзагами грозовое небо, считают, что защититься от нее дело несложное. Достаточно, мол, поставить металлический штырь на крыше, соединить его с землей — и делу конец.

В действительности все обстоит иначе. Обезопасить людей, промышленные сооружения, жилые дома и другие объекты от грозовых разрядов — это значит решить целый комплекс сложных вопросов, предусмотреть все неожиданности, которые может преподнести молния.

Государство тратит большие средства, чтобы предохранить людей и народное добро от ударов молнии — плазмы, вспыхивающей в воздухе.

Поговорим вначале о защите зданий от ударов молнии. Ни один проект нового здания, особенно высотного, не утверждается, пока не будет разработана система грозозащиты.

В специальных лабораториях строят макеты таких зданий и обстреливают их искусственными молниями. Если будут обнаружены уязвимые места, грозозащита усиливается.

Даже если строится большой жилой дом с железной крышей, недостаточно заземлить ее в одном месте. Провода-токоотводы должны соединять ее через каждые двадцать пять метров периметра крыши, а также по углам.

Самые строгие требования к защите от грозы предъявляются к промышленным объектам, которые производят взрывоопасные вещества или имеют смеси пыли, паров, газов, способных взорваться. Молниеотводы на такие здания не ставятся, они располагаются вокруг здания, защищая от прямых попаданий молний большой участок. Чтобы внутри помещения не возникла искра, все металлические части оборудования заземляются.

Как видите, молнии приносят немало хлопот людям и обходятся в копеечку.

Не простое дело — защита от ударов молнии проводов, подвешенных над землей.

Вряд ли смогли бы мы регулярно слушать радиопередачи, пользоваться электрическим светом, разговаривать по телефону, если бы специалисты не придумали, как избавиться от попадания молний в провода.

При прямом ударе молнии в провод в линии связи или в линии электропередачи могут возникать напряжения в несколько миллионов вольт. Даже если разряд молнии попал не на линию, а между облаками, в проводах возникают перенапряжения в сотни тысяч вольт. Волна перенапряжения стремительно мчится вдоль проводов, может врываться в дома и учреждения и поражать людей, выводить из строя аппаратуру.

Приходилось вам видеть шеренги высоких металлических опор, к которым подвешены провода линии электропередачи? Зачем на них подвешено четыре провода, а не три, необходимых для передачи трехфазного тока?

Из-за гроз. Верхний провод, прикрепленный к самым верхушкам опор, служит для защиты остальных проводов от прямых ударов молнии. Он так и называется «тросовый молниеотвод».

А как быть в том случае, если молния все-таки ухитрится ударить в провод? Линия выйдет из строя?

Нет. В этом случае с искрой-молнией вступает в борьбу искра защитная.

На рисунке показан провод высокого напряжения, подвешенный на гирлянде изоляторов. Когда в провод ударит молния и в нем возникнет перенапряжение, изоляторы остаются невредимыми. Разряд образуется раньше между двумя защитными кольцами, смонтированными у обоих концов гирлянды. Молния лишь на мгновение замыкается на землю, и это мгновение столь коротко, что потребители даже не замечают «атаки» молнии.

Телеграфные провода защищаются от ударов молнии не только искровыми разрядниками, но и особыми плазменными устройствами — ионными разрядниками.

Вдоль линии через определенные расстояния устанавливаются эти надежные часовые, представляющие собой газоразрядные трубки, наполненные неоном или водородом. Один электрод разрядника присоединен к проводу, второй — к земле. Когда в провод ударит молния или возникнет перенапряжение от сверкнувшей неподалеку молнии, в трубке возникает плазма. Она автоматически заземляет линию. Как только заряд стечет в землю и напряжение в линии станет безопасным, разряд гаснет и линия продолжает работать как ни в чем не бывало.

Заглянем под капот автомобиля: там немало интересных устройств, заставляющих машину работать долго и безотказно. Всюду можно увидеть провода различных сечений и расцветок, клеммы, датчики, прямоугольные и цилиндрические коробки, назначение которых непосвященный человек поймет не сразу. В передней части, сверху или сбоку двигателя, пристроен генератор. Это электростанция автомобиля, она заряжает аккумулятор, питает энергией лампы фар и другие электроустройства. Ротор генератора при помощи ременной передачи вращается от вала двигателя. Прибавит водитель газ, ротор вращается быстрее, сбросит — обороты его падают.

Если бы не было небольшой коробочки — реле-регулятора, то генератор давал бы самые различные напряжения. При больших оборотах он перегружал бы током аккумулятор, а лампочки бы перегорали, при малых — аккумулятор не получал бы нужной подзарядки.

В реле-регуляторе, если снять с него крышку, можно увидеть несколько катушек — электромагнитов. Они чутко реагируют на всякие изменения напряжения и силы тока генератора и замыкают или размыкают контакты. Ходит по городу целый день машина, а в коробке реле-регулятора то и дело пощелкивают контакты. Шофер спокоен — электростанция не подведет.

Сотни тысяч размыканий и замыканий тока сделают контакты реле за долгую жизнь машины. И каждый раз между ними проскакивает искорка, появляется и исчезает небольшой кусочек плазмы, хотя здесь это и нежелательное явление.

Я уже рассказывал о работе супругов Лазаренко, вступивших в бой с искрами-грызунами. Они убедились, что перед искрой никакой материал устоять не может, и создали свой замечательный станок для электроискровой обработки.

Но искры в тысячах реле продолжали скакать и грызть контакты. Они нередко так разогревали их, что контакты спекались, сваривались и тогда машина или какой-либо сложный станок теряли координацию движений, либо переставали работать. Из-за маленькой искры выходила из строя большая машина.

Инженеры ломали голову над тем, как уменьшить искрение в контактах, химики-металлурги стали создавать специальные сплавы, которые смогли бы выдержать побольше «укусов» искры. Она незаметно, изо дня в день разрушает, грызет металл контактов реле, каким бы прочным он ни был.

Одним из средств, уменьшающих искрение контактов, является включение так называемых искрогасящих конденсаторов.

На рисунке вы видите пару контактов реле, параллельно которым подключен конденсатор. Контакты замкнуты, и через них идет ток. В данный момент на конденсаторе нет напряжения, он «закорочен» контактами.

При размыкании контактов ток в цепи не исчезает мгновенно. Пока между контактами «живет» искра, электроны движутся в проводах. Но при конденсаторе искра не получается такой «жирной», как в случае, когда конденсатора нет. Часть тока идет на зарядку конденсатора, и искре «достается» меньшая мощность.

Правда, при замыкании контактов конденсатор будет разряжаться через них, увеличивая искру, но с этим мирятся, потому что при замыкании искра получается значительно слабее. В системе зажигания автомобиля искрогасящий конденсатор — важная деталь. Он устанавливается параллельно контактам прерывателя и не дает этим контактам быстро подгорать и выходить из строя.

И все же до сих пор искрение в контактах механических реле считается большим злом. В некоторых случаях приходится отказываться от таких реле и применять более сложные электронные схемы.

Помните, я рассказывал о тиратроне — плазменном приборе, имеющем, кроме анода и катода, еще электрод — сетку.

Оказалось, что с помощью тиратрона можно не только выпрямлять переменный ток, но и прерывать его. Иными словами, использовать его в качестве реле.

Тиратрон включается последовательно в электрическую цепь, через него проходит весь ток. Когда нужно прервать ток, на сетку подают отрицательный потенциал. Сетка становится непреодолимой преградой для зарядов. Ток в цепи прерывается. Срабатывает такое реле значительно быстрее, чем электромагнитное. Таким образом, против плазмы-искры заставили сражаться плазму тлеющего разряда и получили хороший результат.

А как быть в тех случаях, когда нужно разорвать электрическую цепь не в маломощном реле, а, например, на большой электростанции или на силовом пульте гиганта-завода, пожирающего целую реку электричества? Здесь при разрыве цепи рождается не слабенькая искра, а яркая дуга, способная сокрушить все.

На первых порах для таких цепей строили большие массивные выключатели. Сильные пружины выхватывали толстые металлические ножи из гнезд выключателя и разрывали цепь. Потом заметили, что дуга в жидкости меньше разрушает контакты по сравнению с дугой, образовавшейся в воздухе.

Выключатели стали помещать в хорошо очищенное, почти прозрачное масло. Иногда вместо масла применяли очищенную от солей воду, она тоже неплохо справлялась с гашением дуги.

В особенно мощных выключателях применили еще одну хитрость: электрическую цепь разрывают двумя спаренными контактами. Вместо одной сокрушительной дуги получались две или несколько более слабых дуг, справиться с которыми значительно легче.

Применяют также воздушное или водородное дутьё. В момент рождения плазмы мощная струя воздуха или водорода сбивает пламя дуги, рассекает плазму и тем самым ослабляет силу ее удара.

Есть выключатели, в которых плазму дуги подхватывает мощное магнитное поле и бросает ее в специальную камеру, разделенную на отсеки. Дуга рассекается на части и становится не такой опасной для контактов выключателя.

Война с дугами-разрушительницами сейчас идет полным ходом. Ведется она в нескольких направлениях. Наряду с совершенствованием механических выключателей создают ионные прерыватели тока, способные выдержать силу тока в сотни ампер. В них применены не тиратроны, а дуговые лампы — игнитроны, которые, как вы уже знаете, обычно используются для выпрямления переменного тока.

Когда на аноды игнитронов подают импульс отрицательного напряжения, ток в цепи прекращается.

Дуга-разрушительница, стоило подойти к ней умело, стала послушной исполнительницей воли человека.

Зашел я раз к одному своему товарищу. Был он заядлым коротковолновиком-любителем, поэтому я не удивился, застав его за радиопередатчиком.

Я обратил внимание на сердитое лицо хозяина дома.

— Что с тобой? — хотел я спросить, но тот, оторвав руку от телеграфного ключа, опередил меня.

— Понимаешь, только связался с Новосибирском, вдруг — на тебе! — во дворе затеяли сварку. Так и не удалось поговорить! Сигнал шел слабый — сварка все заглушила!

Я взял головные телефоны, надел их и услышал беспорядочный треск. В короткие паузы откуда-то издалека доносился еле слышный писк азбуки Морзе. Разобрать что-либо было невозможно.

Я выглянул в окно. Внизу вспыхивало желто-фиолетовое пламя электросварки. Именно оно было виновником того, что разговор по радио не состоялся.

Я успокоил хозяина дома и посоветовал, как избавиться от голоса плазмы, вмешивающейся в чужой разговор.

Было время, когда способность плазмы подавать свой голос позволила А. С. Попову изобрести радио. Сейчас в этом голосе никто не нуждается, техника преодолела много новых ступеней и создала принципиально новые ламповые передатчики. Они как небо от земли отличаются от искровых генераторов времен Попова.

И все же вокруг нас работают сотни плазменных генераторов радиоволн. Это — передатчики-самозванцы, передатчики-вредители.

По улице проехал автомобиль. Это не только автомобиль, но и «радиостанция». Система зажигания его добросовестно излучает в пространство всевозможные радиоволны. Щелкают контактами в цехе завода реле, заставляют поточную линию хорошо выполнять распоряжения оператора. Но искорки, прыгающие с одного контакта на другой, — это не что иное, как миниатюрные радиопередатчики. Электросварочные агрегаты, аппараты дарсонвализации, рубильники, коллекторные машины и даже обыкновенные комнатные выключатели — все они посылают в эфир свой голос, все они мешают разговаривать по радио и слушать радиопередачи.

Радиоспециалисты хорошо знают, что в тех местах, где сосредоточены промышленные предприятия, эфир «загрязнен», там слишком велики электрические помехи. Нередко они делают приемники беспомощными коробками.

Как же заставить замолчать этих непрошеных «корреспондентов», имя которым — легион?

Этот вопрос занимал и занимает умы многих радиоспециалистов.

Вначале стали пробовать окружать искрящие устройства металлическим экраном. Пусть, мол, искры разговаривают сами с собой, их радиоволны не смогут пробить металлическую стенку.

Но не тут-то было! Электромагнитные колебания разбегаются по проводам, которыми опутано любое электроустройство. Эти провода становятся добровольными антеннами. Они вовсю излучают радиоволны.

Тогда стали и на провода надевать экраны — металлические чулки. Но и это не всегда помогало.

Пришлось ввести в бой с радиопомехами еще одно средство — электрические фильтры.

Гудит где-нибудь работяга-электромотор, а на его корпусе спокойно сидит коробочка-фильтр. По коллектору мотора прыгают искры, они неутомимо генерируют электромагнитные волны. Но вырваться из мотора и начать гулять по проводам эти волны не могут — не пускает фильтр. Простейший фильтр — это обыкновенный конденсатор, который подключается одним зажимом к проводу, а другим к земле или к корпусу машины. Конденсатор, как известно, является преградой для постоянного тока, переменный же ток он пропускает через себя беспрепятственно. Поэтому он и замыкает на землю высокочастотные переменные токи, созданные искрами, и они не попадают в электрическую сеть.

Когда электрическая установка создает мощные радиопомехи, фильтр делают посложнее. Кроме конденсаторов, в нем появляется катушка индуктивности. Включенная в цепь последовательно, катушка становится серьезной преградой для высокочастотных токов.

В автомобилях, чтобы заглушить радиоголос системы зажигания, идут еще на одну хитрость. В провода, которые присоединяются к свечам, включают сопротивление. От этого искорка в свече получается слабее, но зато излучение проводов уменьшается во много раз.

И все же, несмотря на принимаемые меры, плазма постоянно давала о себе знать. Виной этому нередко была неаккуратность и нерадивость некоторых людей.

«Подумаешь, конденсатор! — рассуждали такие люди. — Ведь машина без них работает, значит, можно обойтись без них».

И строили новые электрические машины и установки, которые сразу же включались в общий хор радиопомех.

Но нет! Люди не должны мешать друг другу работать. У нас существует закон, запрещающий «загрязнять» эфир радиопомехами. Как бы ни были хороши электрические машины и установки, их нельзя включать, пока не будут устранены создаваемые ими помехи.

Чтобы никто не нарушал этого закона, были созданы специальные организации — радиоинспекции. Наряду с другими обязанностями, они выполняют и такую: следят, не появится ли в эфире какой-либо мощный источник радиопомех. Стоит ему только появиться, приборы, вроде радиопеленгаторов, точно указывают, где раздается его «голос». Специалисты выезжают на «место происшествия», делают измерения и запрещают работу установок — источников помех до тех пор, пока не будут приняты необходимые меры.

Вот сколько хлопот доставляет плазма, подающая свой «радиоголос» тогда, когда это совсем не нужно.

Приходилось вам наблюдать, как в темную пасмурную ночь светятся провода высоковольтной линии? Кажется, что они помещены в светящиеся чехлы. Иногда диаметр таких «чехлов» достигает тридцати сантиметров!

Что это? Обман зрения?

Нет, это корона, плазма, возникшая благодаря высокому напряжению на проводах.

Мы уже знаем, что всякий разряд, если он возник в газе, может существовать лишь в том случае, если на него затрачивается электрическая мощность. Коронный разряд вокруг проводов тоже расходует электричество. Ток, который должен был вращать моторы, освещать дома и улицы, плавить металл, еще не дойдя до потребителей, расходуется на бесполезное свечение воздуха.

«Потери от короны» — так назвали специалисты-энергетики эту потерю электричества, улетучивающегося в воздух. Они порой были столь велики, что на нет сводили выгоды от передачи энергии при высоком напряжении.

Корона возникает не всегда. Она появляется при некотором, как его называют, критическом напряжении.

Есть четыре основные причины, которые влияют на величину критического напряжения: расстояние между проводами электролинии, толщина проводов, состояние их поверхности и погода.

Инженеры, проектирующие линию электропередачи, должны все эти факторы учитывать. Правда, управлять погодой люди пока не могут, но остальные факторы могут изменяться в довольно широких пределах.

Задача состоит в том, чтобы сделать критическое напряжение больше, чтобы корона могла возникать лишь при очень высоких напряжениях в электролинии. Для этого надо подальше располагать провода-фазы друг от друга, делать эти провода потолще и добиваться, чтобы они были без вмятин и заусениц. Именно около таких неровностей больше всего искажается электрическое поле и раньше, чем на других участках, начинается коронный разряд.

Однако всему есть предел. Нельзя делать провод толщиной с бревно и невыгодно разносить провода-фазы на сотни метров друг от друга. Провода, как правило, висят на общих опорах и из экономии веса и материала делаются не очень толстыми.

Чтобы «обмануть» корону и не остаться в проигрыше, инженеры нашли такой выход: стали делать провода из двух металлов. В сердцевине помещают стальной трос, а вокруг него — алюминиевые проволоки, свернутые жгутом. Провод получается и прочным и достаточно толстым. Для линий электропередачи в 220 тысяч вольт применяли также пустотелые провода. Расход металла на них оказывался значительно меньше, чем при сплошных проводах той же толщины, а эффект был бóльшим.

Когда стали проектировать линию электропередачи Куйбышев — Москва, по которой в столицу должна была хлынуть электроэнергия при напряжении четыреста тысяч вольт, то расчеты показали, что без принятия особых мер корона «съедала» бы ежегодно сто тридцать — сто семьдесят миллионов киловатт-часов! Миллионы рублей народных средств буквально улетучились бы в воздух.

С этим мириться было нельзя. И советские специалисты нашли выход из этого положения.

Вместо трех проводов между Куйбышевом и Москвой было решено натянуть девять — по три провода на каждую фазу.

Что это дает, можно понять из рисунка.

Внизу изображено электрическое поле вокруг одиночного толстого провода, сверху — электрическое поле при расщеплении фазы. Вместо одного толстого взято три тонких провода, разнесенных в пространстве.

В этом случае электрическое поле вокруг проводов получается не таким сильным и искаженным, не таким густым и коронный разряд не возникает.

Миллионы киловатт-часов электроэнергии оказываются спасенными.

Так инженеры «расправились» с короной и не дали ей возможности приносить вред.