Почему сетевое напряжение именно 220 Вольт?
Одним из самых распространенных запросов в поисковиках на физическую тематику является вопрос: «Почему в розетке 220 В?». То есть все больше людей интересуются, почему электрическое напряжение имеет такую конкретную цифру. Примечательно, но даже после всего школьного курса физики, не каждый может ответить на данный вопрос. Постараемся разобраться, откуда взялся такой показатель.
Краткая истории развития электричества.
Теории электричества занимают ученых с начала 18 века по настоящий момент. Начиная с 19 века, электричество плотно вошло в жизнь человеческой цивилизации. Первая теория электричества была описана Бенджамином Франклином, который рассматривал электрический ток как жидкость; потом итальянец Вольта создал первый источник постоянного тока, позднее были сделаны еще более важные открытия: Гаусс сформулировал теорию электростатического тока, а Фарадей открыл электромагнитную индукцию. В 1879 году «загорелась» первая электрическая лампа с продолжительным сроком службы в лаборатории Томаса Эдисона, и с тех пор началась эпоха электрического освещения.
Изобретение лампы накаливания способствовало развитию различных отраслей, связанных с электрическими технологиями, а позднее к появлению централизованного электроснабжения.
На первых этапах развития электрического освещения важная роль отводилась дуговому освещению. Дуговым источникам света требовалось для горения дуги напряжение в размере 45 В. Для уменьшения токов короткого замыкания при зажигании лампы, исследователи придумали использовать балластный резистор. Однако, его сопротивление в цепи должно было быть таким, чтобы напряжение на нем оставалось на отметке в 20 В. Сложим 45 и 20 В получаем, что общее напряжение в установках дуговых ламп равнялось 65 В, и данный показатель оставался неизменным довольно продолжительное время. Но, если в цепь включали две лампы, то значение необходимого напряжения уже считалось по-другому: 2 лампы по 45 В = 90 В, к этому значению прибавлялось сопротивление резистора в 20 В, и получалось 110 В.
Основная проблема в то время заключалась в том, что электрический ток вырабатывался генератором постоянного тока, поэтому радиус электроснабжения был значительно маленьким – около 100-200 метров. Это приносило большие экономические потери, поэтому ученые постоянно работали над расширением границ электроснабжения, что в итоге привело к созданию трехпроводной системы постоянного тока, в которой напряжение имело значение 220 В.
Параллельно с развитием электричества и вхождением его в обыденную жизнь людей, Никола Тесла прорабатывал внедрение генераторов переменного тока. Переменный ток с напряжением в несколько тысяч вольт упростил и удешевил использование электроснабжения путем увеличения радиуса распространения электрического тока (на расстоянии в 2 км на магистральных проводах терялось менее 3% напряжения, в то время как раньше эта цифра варьировалась на отметке 17-20 %). В итоге, на выходе напряжение в проводах у потребителей получалось примерно 127 В, что в определенной мере, было большим продвижением в области электрического освещения.
До середины прошлого века ситуация с электроснабжением мало поменялась до момента, когда количество электрических приборов не обогнало количество населения. Нагрузки на электрические провода стали причиной для появления нововведений в области электричества: нужно было либо утолщать провода и кабели, либо снижать нагрузку на существующие. В итоге, методом проб и ошибок, был сделан выбор в пользу увеличения напряжения в сети до уже знакомого показателя в 220 В, однако, теперь уже на каждую фазу.
В России, ученые тоже занимались изучением теорий электричества. Так, Доливо-Добровольский доказал, что необходимо раскладывать электрический ток на пассивную и активную составляющие, а также использовать в качестве основной формы тока – синусоиду. Частота тока должна была быть на отметке 30-40 Гц. Но, после длительных практических исследований стали применяться две другие частоты: 60 Гц в США и 50 Гц в остальных странах. Повышение частоты вело к повышенному возрастанию скоростей вращения электрических машин, и, наоборот, снижение частоты плохо сказывалось на равномерности освещений.
Напряжение величиной в 220 В начало распространяться в Москве с 20-х годов 19 века. С 1970 года были начаты работы по замене электрических сетей, которые были завершены только спустя 25 лет. Хотя и сейчас можно найти жилые дома и общественные здания, где напряжение света в проводах достигает лишь 125 В (например, Российская государственная библиотека или Министерство иностранных дел). Наука не прекращает исследовать и придумывать новые искусственные источники света: не так давно появились люминесцентные и галогенные лампы, которые значительно превосходят электрические лампы по экономическим характеристикам.
Таким небыстрым, практическим путем в наших электрических сетях стало напряжение в 220 В с частотой тока в 50 Гц.