10.6
«Нет, я настолько ленив, что хочу, щелкнув выключателем, заставлять машины работать как по волшебству»
Для машин, что включаются по щелчку, вам требуется источник энергии, которая будет постоянно готовой к использованию, молчаливой и невидимой. Иными словами – вам нужно электричество. Оно легко транспортируется, запасается и приводит в движение бо́льшую часть современного мира, включая все, от самолетов до автомобилей.
Оно может двигать и ваш мир тоже.
Батареи используют химические реакции для того, чтобы генерировать энергию по требованию, и некоторые даже можно зарядить, обратив реакцию. Генераторы полагаются на простой закон физики, чтобы превратить физическое движение в электрическую энергию, а трансформаторы изменяют электрический заряд так, чтобы он принял более удобную форму, и все это происходит без единой движущейся части. Генерация, хранение и трансформация электроэнергии – те технологии, которые позволят вашей цивилизации в первый раз оторваться от статичных источников энергии и распространиться по планете.
Электричество даст вам шанс завоевать мир.
И вы лишь в одной странице от того, чтобы открыть его!
10.6.1. Батареи
Магнетизм, как вы помните из уроков физики, могучая сила, которая заставляет разные предметы прилипать к холодильникам.
Вы (также Дэйв Барри)
Что это
Способ генерировать и запасать электрический ток.
До того как были изобретены
Если вам требовался переносной источник энергии, то вы должны были таскать с собой электрического угря, а их нельзя назвать особенно практичными и предсказуемыми источниками электричества.
Изобретены
1745 н. э. (первые «батареи», запасавшие атмосферное электричество);
1800 н. э. (первые химические батареи, способные давать ток).
Предпосылки
Металл (для проводов, медь очень пластична, и из нее делать провода легче всего), металл (для батарей, медь или серебро для одного конца и железо или цинк для другого).
Как изобрести
Понять, что такое батарея, можно, только поняв, что такое электричество, а его невозможно постичь, не имея представления о магнетизме. Люди раньше думали, что электричество и магнетизм – два разных явления, но затем обнаружили, что они так тесно связаны, что невозможно иметь дело с одним, не затрагивая другое, так что возник термин «электромагнетизм».
Открытие и введение электричества в использование привели ко второй промышленной революции, ну а та (во второй раз) заставила человечество пересмотреть свой способ жизни. До нее людям приходилось либо жить рядом с источником топлива (леса – деревья, шахты – уголь, реки – водяные мельницы), либо дорого платить, чтобы это топливо к ним доставляли. После стало возможным переправлять энергию через целую страну со скоростью от 50 до 99 % скорости света, и люди смогли жить с комфортом всюду, куда дотягиваются провода.
Вкратце власть над электромагнетизмом позволит вашей цивилизации распространиться за пределы речных долин и окрестностей шахт, завоевать континенты, планету и само время!
А теперь мы расскажем, как это сделать!
Электричество есть движение заряженных частиц, обычно электронов (и вы можете найти больше информации об этих плохих парнях в разделе 11). Электроны обладают отрицательным зарядом, так что нечто с большим количеством электронов будет заряжено отрицательно, а любой материал, теряющий электроны, получает заряд положительный. Помните: одинаково заряженные частицы отталкивают друг друга, частицы с противоположным зарядом притягивают друг друга.
Некоторые материалы легко пропускают через себя электроны (их именуют «проводниками», и к ним относятся металлы вроде меди, железа, серебра или цинка), некоторые сопротивляются прохождению электрического тока (их называют «изоляторами», в качестве примеров можно назвать стекло, резину и дерево). Но при нормальных обстоятельствах движение электронов в проводнике хаотично, и, чтобы генерировать электричество, вам нужно каким-то образом сделать его упорядоченным.
Мы называем это электрической цепью, поскольку электроны движутся по петле, и вы столь значительны, что собираетесь изобрести первую электрическую цепь и первую батарейку одновременно.
Батареи на самом деле легко придумать, если у вас есть металл, так что – снова это слово – озадачивающим выглядит тот факт, что они появились у нас только в XIX веке н. э. Они превращают энергию химических реакций в электрическую и работают благодаря процессу взаимодействия между двумя металлами.
Два любых металла имеют разное сродство с электронами, так что, если вы поместите их в проводящий раствор, начнется химическая реакция обмена этими электронами. Проводящий материал называют «электролитом», и в его роли могут выступать многие вещества: кислота, соленая вода или даже вполне себе вкусный картофель. Многие соли, щелочи и кислоты прекрасно справляются с этой работой, и вы можете сделать серную кислоту, особенно хороший электролит, используя сведения из приложения С.
Металл, которому требуется больше электронов, будет оттягивать их у другого, получая отрицательный заряд, в то время как второй обзаводится зарядом положительным (куски металла в батарее именуют контактами). Отрицательно заряженные электроны, собираясь вокруг жаждущего их контакта, будут отталкивать друг друга, так что если вы соедините этот электрод с положительно заряженным посредством провода, то электроны будут избегать столпотворения, двигаясь по проводу в сторону положительного контакта.
Хей, вот вы и устроили все так, что электроны движутся в одном направлении! Дружище, вы только что сделали электричество!
Вы используете его для изобретения электрического освещения, электрического отопления, электроплит, электродвигателей и много чего еще – через несколько параграфов, – но пока не суетитесь, поскольку мы еще не вполне закончили с вашей новой батарейкой. Она использует химическую реакцию для генерации энергии, но реакция в конечном счете закончится, и ваша батарея умрет.
Не хотите ли изобрести перезаряжаемую батарею прямо сегодня же?
Почему нет, верно?
Свинцово-кислотные батареи, придуманные в 1859 н. э., во всем похожи на штуковину с двумя контактами, только что вами изобретенную, разве что там использовались контакты на основе свинца, погруженные в смесь воды и серной кислоты в пропорции три к одному. Один контакт – чистый свинец, второй – диоксид свинца. Вещества эти реагируют с серной кислотой так, что на обоих контактах получается сульфат свинца, но эта реакция требует, чтобы оба контакта обменивались электронами. Поэтому, когда вы соединяете их проводом, вы создаете на проводе электрический ток, который течет, пока идет реакция.
Но важно то, что когда вы разворачиваете реакцию и подаете электричество на батарею, то процесс идет вспять: сульфат свинца распадается в электролит, и вы восстанавливаете два контакта, из чистого свинца с одной стороны, из диоксида свинца – с другой. Подобная обратимость реакции означает, что вы можете эффективно запасать энергию для будущего использования!
Так что теперь у нас есть батареи, способные генерировать электрич ество, и другие батареи, которые в состоянии резво запасать уже существующее электричество. Несомненно, батареи прекрасная штука для экспериментов и для того, чтобы обеспечивать работу портативных музыкальных плееров последней модели, но печальный факт состоит в том, что на батареях цивилизацию не построишь!
Цивилизацию можно основать на устройстве, которое не требует добывать определенные металлы или синтезировать конкретные кислоты. Другими словами, опорой цивилизации могут стать электрические генераторы, известные также как электростанции. И хорошая новость состоит в том, что если вы уже поработали над водяными мельницами, ветряными или турбинами, то вы почти изобрели электростанцию.
10.6.2. Генераторы
Мы сделаем электричество настолько дешевым, что только богатые будут пользоваться свечами.
Вы (также Томас Эдисон)
Что это
Способ производить энергию мощностью до 1,21 гигаватта.
До того как были изобретены
Единственный способ добраться до мощности в 1,21 гигаватта состоял в том, чтобы дождаться удара молнии, но, увы, никогда не знаешь, где и когда он произойдет.
Изобретены
1819 н. э. (электричество и магнетизм были признаны единым феноменом под названием «электромагнетизм»);
1821 н. э. (первый электродвигатель);
1832 н. э. (первая динамо-машина, создающая электроэнергию из движения).
Предпосылки
Металл, водяные мельницы, турбины или другие способы получения вращательного движения.
Как изобрести
До этого мы затрагивали в основном электрическую часть электромагнетизма, но здесь мы воспользуемся тем фактом, что любой электрический поток также создает и магнитное поле. Вы можете доказать это, поместив компас (раздел 10.12.2) рядом с проводом: в тот момент, когда по проводу пойдет ток, стрелка компаса начнет движение. Изобразив подобный трюк, вы также случайным образом использовали магнетизм, чтобы превратить электроэнергию в физическое движение, и именно это превращение открывает путь к множеству изобретений.
Самое банальное – вы можете использовать его для изготовления первых средств измерения разных параметров электричества. Чуть сложнее – если обернуть ваш провод вокруг сердечника из железа, то магнитное поле усилится и получится первый в мире электромагнит, такой магнит, который можно включать и выключать.
Поместите магнит так, чтобы он мог свободно вращаться между двумя электромагнитами, и включайте их поочередно. И ваш магнит будет вращаться до тех пор, пока вы подаете энергию на получившееся устройство.
Все эти изобретения работают, используя электричество для порождения движения в магнитном поле, но можно все перевернуть: вы можете использовать движение в магнитном поле, чтобы породить электрический ток. Это и есть базовый принцип работы генератора, который вы технически придумали в разделе 10.5.3, когда превратили эолипил в динамо-машину, сейчас мы только применили его для производства энергии.
Базовая механика в данном случае чрезвычайно проста: возьмите нечто вращающееся, накрутите на этот предмет несколько витков провода, расположите в центре магнит, и вы будете генерировать электроэнергию. Электричество, полученное таким образом, именуется «переменным током», поскольку электроны двигаются туда-сюда по проводам во время вращения. Противоположный вариант – постоянный ток, который вы получали из описанных выше батарей.
Вот и все, что нужно для изобретения генератора.
Очень удобно, что переменный ток подходит лучше постоянного для передачи на большие расстояния, но это не предотвратило Войну токов в истории США, когда разные корпорации поддерживали разные стандарты производства электричества и в конкурентной борьбе пытались убедить широкую публику, что другой стандарт несет смертельную опасность.
Вы можете передавать энергию от генератора по проводам, но столкне тесь с ограничением: любой проводник обладает некоторым сопротивлением, определяемым потерей электричества на нагревание. Это значит, что любой провод может передать лишь определенное количество энергии, затем он начнет греться, а в худшем случае – плавиться. Сопротивление можно использовать продуктивно для изобретения тостеров, печей, электронагревателей, фенов и ламп накаливания, которые мы уже упоминали.
Но для того чтобы посылать энергию на большие расстояния, вам предстоит вносить поправку с учетом сопротивления. И тут в дело вступают трансформаторы, изобретением которых мы сейчас и займемся!
10.6.3. Трансформатор
Давайте позволим будущему сказать правду и оценить каждого в соответствии с его трудами и достижениями. Настоящее принадлежит другим, будущее, для которого я работаю, – мне.
Вы (также Никола Тесла)
Что это
Безопасный способ обращаться с электричеством для его транспортировки.
До того как был изобретен
Передача электричества на большие расстояния была делом затратным и опасным, но, честно говоря, большинство цивилизаций изобрели трансформаторы почти сразу же за электричеством, так что и вам не стоит отставать.
Изобретен
1831 н. э. (открыты принципы магнитной индукции);
1836 н. э. (изобретен первый трансформатор).
Предпосылки
Электричество, металл.
Как изобрести
Мы рассказывали об электричестве, не используя единиц измерения его параметров (большей частью потому, что единицы измерения названы именами людей, с вашей точки зрения еще не родившихся, и кто сказал, что они должны забрать все лавры?). Но теперь нам придется ввести как минимум одну, а именно вольт, который показывает разность электрических потенциалов между двумя точками в цепи.
Если представить электричество в виде воды, то ваши провода станут трубами, ток – водой, что двигается по этим трубам, а вольтаж покажет давление, под которым эта вода находится. Если вам нужно больше воды из трубы, то вы должны увеличить либо ее диаметр, либо давление, либо оба этих параметра.
То же самое и с электричеством: энергия, которую вы получаете, является производной силы тока и вольтажа. Чем сильнее ток, тем сильнее нагревается провод и тем ближе вы к точке его плавления. Это оставляет вам, как и в случае с водяными трубами, две возможности: можно либо сделать трубы больше (утолстить провода, чтобы они могли пропускать ток большей силы), либо увеличить в них давление (то есть вольтаж). Высоковольтные провода более опасны, если болтаться с ними рядом, но если вы можете трансформировать электричество, поднимая вольтаж для передачи через целую страну – держа при этом подальше от людишек и их загребущих, все на свете хватающих ручонок, – а затем трансформировать обратно, опуская вольтаж для использования, то оно того стоит.
Трансформаторы очень просты, поскольку в них нет движущихся частей (исключая, конечно, несущиеся по проводам электроны). Изготовьте из железа большое кольцо квадратного сечения, с одной стороны намотайте на него изолированный провод, связанный с источником входящей энергии, а с другой – провод, по которому будет передаваться исходящая энергия.
Два витка провода не связаны друг с другом электрически, но когда ток идет по первичной обмотке, он создает электромагнитное поле (точно так же, как мы видели ранее), и оно побуждает электроны во вторичной обмотке двигаться тоже. В этот момент ваше новейшее изобретение не трансформирует электричество (пока), но использует магнитное поле, чтобы без провода передавать электричество на небольшое расстояние.
Настоящее волшебство начинается, когда мы меняем число витков во вторичной обмотке. Если обе обмотки имеют одно и то же число витков, то ток и вольтаж в обеих обмотках будут одинаковыми. Если во вторичной обмотке окажется больше витков, чем в первичной, тогда возникшему в ней заряду придется уменьшать ток и увеличивать вольтаж, придавая электричеству характеристики, идеальные для передачи на большие расстояния. Если во вторичной обмотке витков будет меньше, то вольтаж уменьшится, а ток увеличится, и энергия станет готовой для использования на месте.
Вольтаж прямо пропорционален количеству витков, так что соотношение 3 к 1 в первичной и вторичной обмотках произведет выходящий ток вольтажом в одну треть от входящего. Выходит так, что железо и некоторое количество витого провода – все, что необходимо для трансформации электричества, и все это возможно потому, что электричество и магнетизм – две стороны одной монеты!
Спасибо, электромагнетизм.
Так что при помощи других изобретений из данного раздела вы теперь можете производить, передавать, запасать и трансформировать электричество. Ничего не стоит изобрести батареи в любой момент земной истории, когда открыты базовые металлы, а за ними – электростанции и трансформаторы. Даже изобретя водяные и ветряные мельницы, люди почти два тысячелетия использовали их для получения некоторого количества движения – вращения колес, поднятия рычагов, и только потом кто-то догадался изобрести динамо-машину и добыть более многофункциональную и пригодную для передачи на расстояние форму энергии, а именно электрический ток.
Вы же со своими знаниями о паровом двигателе и динамо-машине имеете возможность произвести разом две индустриальные революции в обществе в любой момент, когда вам захочется.
