Со школы мы знаем, что электричество в проводнике – это упорядоченное движение электронов. Электронами движет электрическое поле (разность потенциалов между началом проводника и его концом). Цепь при этом должна быть замкнута. Электричество в любой точке проводника возникает практически моментально, а именно распространяется со скоростью света.
Не совсем понятно, как эта модель работает в цепи с переменным током. Ведь там и электроны и электрическое поле меняют свое направление с частотой 50 Гц (в США 60 Гц). Т.е. никуда не движутся, колеблются на месте. Но говорят, что работа электрического тока совершается. Это никто не будет отрицать, лампа накаливания или асинхронный электродвигатель работают от переменного тока.
Получается, что энергию переносят не электроны, а поле. И нужно лишь создать условия для прохождения поля по материи с определенными свойствами. Это должен быть проводник, в котором есть свободные электроны.
На заре электричества наука не понимала многие электрические процессы. И инженеры совершали много ошибок. К одному такому провальному проекту можно отнести первый трансатлантический телеграфный кабель, который проложили в августе 1858 года. Но в сентябре того же 1858 года связь уже была нарушена. Кратко история прокладки кабеля такая.
Идея соединить два континента телеграфной связью была давно, еще с момента появления действующих телеграфов. В 1850 г. была проложена линия связи между Великобританией и Францией.
Трансатлантический кабель был заранее изготовлен двумя английскими компаниями.
Кабель был покрыт латексом из гуттаперчи, материал считался устойчивым к воздействию морской среды. Был обмотан просмоленной пенькой и окружен спиралевидной оболочкой из железной проволоки. Нужно было обеспечить устойчивость к растяжению в несколько тонн, но при этом необходимо было сохранить гибкость кабеля.
Контракт на изготовление изолированной жилы и на изготовление железной брони был разделен между двумя компаниями. Кабель состоял из 7 жил медного провода № 22 BWG, шесть из которых были обернуты вокруг седьмой, а затем были покрыты тремя слоями гуттаперчи. Затем жила обматывалась джутовой пряжей, пропитанной составом, состоящим из 5/12 стокгольмского дегтя, 5/12 смолы, 1/12 вареного льняного масла и 1/12 обычного пчелиного воска. На одну морскую милю кабеля уходило от 45 до 49 литров этой смеси.
Выглядел он примерно так (один из первых трансатлантических кабелей):
В качестве кабелеукладочных судов использовались переоборудованные военные корабли HMS Agamemnon и USS Niagara. План предполагал, что оба судна выйдут из Ирландии в сторону Ньюфаундленда: одно из них будет первым прокладывать кабель, а второе подхватит кабель и завершит прокладку. Первой шла «Ниагара», а за ней «Агамемнон».
Да, прокладка первого трансатлантичепского кабеля происходила на парусных судах.
В первые дни прокладки кабель стал двигаться на 50% быстрее корабля. Включили тормоза на укладчике и в этот момент трос оборвался из-за изгиба при торможении. В итоге «Ниагара» проложила лишь 335 милькабеля. У кораблей не осталось достаточной длины кабеля для продолжения работ, и работа была отложена на год.
Вторая попытка началась 25 июня 1858 года. Но и во время этой попытки, после того, как «Агамемнон» проложил более 140 миль, кабель снова оборвался. 17 июля 1858 г. была предпринята третья попытка. В этот раз кабель внезапно перестал работать, а затем так же внезапно ожил.
Третий заход оказался успешным. «Ниагара» достигла Ньюфаундленда. А 5 августа - «Агамемнон» достиг Валентии, двигаясь в противоположные стороны от сепредины Атлантического океана. Окончательно соединение двух континентов было установлено 16 августа. В итоге «Ниагара» проложила 1030 морских миль кабеля, а «Агамемнон» - 1020 миль. Обрезки кабеля с кораблей были проданы на сувениры. Событие очень бурно праздновалось.
Первое официальное сообщение по трансатлантическому кабелю отправила королева Виктория. Было отправлено поздравление президенту Джеймсу Бьюкенену. Но передача этого сообщения заняла 16 часов, не смотря на то, что текст был совсем коротким:
«Ее Величество желает поздравить президента с успешным завершением великой международной работы, к которой королева проявляет глубочайший интерес». Скорость передачи азбукой Морзе составляла около 0,1 слова в минуту.
Почему процесс прохождения сигнал происходил так медленно, с задержкой и искажением – никто не знал.
Подводный кабель не работал так, как ожидалось. Сообщения не проходили по линии с ожидаемой скоростью и распадались на хаотические беспорядочные фрагменты. Это явление получило название «замедление сигналов». Другой проблемой был эффект емкости, который возникал из-за того, что кабель мог не только передавать электрический сигнал, но и хранить его, что со временем создавало помехи самому сигналу.
К 20 октября 1858 года линия окончательно перестала работать. При изучении причин было обнаружено множество проблем с качеством кабеля.
Как оказалось, в 1858 году использовался тот же самый кабель, который прокладывали в 1857 году. Кабель пролежал почти год без защиты от сезонных перепадов температур. Рабочие замечали, что кабель местами испорчен, вырезали много кусков и вынуждены были соединять концы вместе. Эти соединения давали повышенное сопротивление проводникам кабеля.
Для лучшей передачи решили использовать высокое напряжение, в кабель подали около 2000 В. Такой уровень был излишним и повредил изоляцию и без того дефектного трансатлантического кабеля. Более долговечный трансатлантический кабель будет проложен только через 8 лет, в 1866 году.
Это выдержки из официального заключения специалистов тех лет. Они не представляли тогда, что кабель может обладать индуктивностью (как катушка), что могут быть токи (поля) противо ЭДС, которые будут гасить сигнал. Что кабель может иметь емкость и накапливать электроэнергию как конденсатор (тем более, при напряжении 2000 В). Все эти простые на первый взгляд электро-магнитные явления и привели к крайне плохому прохождению сигнала, а не только физические повреждения кабеля.
Сопротивление жил кабеля при высоком напряжении не так влияло, как другие неучтенные эффекты. Именно емкость и индуктивность создавали трудности при передачи сигнала. Современные подводные кабели не сильно изменились. Но в них появилось экранирование.
На тему о том, что электричество – это поле, а не движение электронов, можно посмотреть этот ролик:
Можно сказать, что электричество течет не по проводам. Провод – это среда, через которое проходит электрическое поле. И оно проходит не только внутри проводника. Электрическое поле создает магнитное поле вокруг проводника. А определенная частота электрического поля в проводнике может создать электромагнитное поле вокруг, излучение, т.е. фотоны.
Сила тока и напряжение – это характеристики этого электрического поля. Изменяя их, в одних случаях можно добиться нагрева проводника, в других – передачу поля с минимальными потерями (при высоком переменном напряжении). Сейчас наука знает больше и использует экранированные жилы в подводных кабелях.
