Что считает электросчётчик?

Великий Девятнадцатый век принёс сотни больших открытий и изобретений в области электричества: взаимодействие электрических токов (Ампер, 1820), зависимость между силой тока и напряжением (Ом, 1827), закон электромагнитной индукции (Фарадей, 1831), электродвигатель (Якоби, 1834), динамо-машина (Йедли, 1861 и Сименс, 1867), освещение электричеством (Яблочков и Лодыгин, 1873), трансформатор (Голяр и Гиббс, 1882, Гопкинсоны, Циперновский, Дери, Блати и Доливо-Добровольский, 1889) и системы передачи электричества на расстояние (Фонтен и Пироцкий, 1873, Депре и Лачинов, те же Яблочков и Доливо-Добровольский, 1893).

И, подводя итог веку, «царица символистов» Зинаида Гиппиус в 1901 году почувствовала, что электричество можно оценить поэтически: «Две нити вместе свиты / Концы обнажены / То «да» и «нет», — не слиты / Не слиты — сплетены./ …Концов концы коснутся / Другие «да» и «нет» / Сплетенные сольются / И смерть их будет — Свет.

«Король патентов» Томас Альва Эдисон ещё в 1869 году понял, что прелести электричества нужно расценить практически, в деньгах – и получил своё первое авторское свидетельство на изобретённый им электрический аппарат – счётчик голосов на выборах.

А в 1881 году Эдисон запатентовал уже прибор, с помощью которого можно было определить количество потреблённой электроэнергии. В нём использовался электрохимический эффект: оно рассчитывалось по разнице в весе медного электрода, помещённого в ячейку с электролитом, через который шёл потребляемый ток. То есть в начале и в конце расчётного периода медную пластинку надо было извлекать из счётчика и взвешивать.

Интересно, что счётчик был калиброван таким образом, что счета можно было выставлять в… кубических футах газа. Почему? – В то время шла непримиримая, полная курьёзов борьба между адептами газового и электрического освещения, и так легче было сравнивать - которое дешевле. К тому же публика вообще побаивалась непонятных единиц: ампер, вольт.

Кстати, за газ для фонарей потребители платили по договорённости с производителем: за определённую сумму разрешалось жечь определённое число горелок в течение определённого времени. Такую же систему оплаты поначалу использовали и для электроэнергии – то есть достоверно сопоставить потребность, реальный расход и оплаченный было невозможно, не говоря уже о проверке.

Но уже самый первый электросчётчик показывал вполне измеряемую величину – время, в течение которого горели лампочки, подключенные через выключатель и, последовательно, сам счётчик-часы. Его изобрёл в 1872 американец Самюэль Гардинер.

Позже всё-таки удалось приучить публику к «ампер-вольтам» (это уже почти «ватты»), в которых показывали потребление другие электролитические приборы – водородный немецкой компании «Сименс-Шукерт» и ртутный Йенского стекольного завода «Шотт унд Геноссен». Но они не годились при колебаниях напряжения.

Американцы Вильям Эдвард Эйртон и Джон Перри в 1881 и немец Германн Арон в 1884 решили как-нибудь использовать для измерения электричества движение – колебание или вращение, которое создавалось бы пропорционально электрической энергии, проходящей через прибор, и могло бы запустить счётный механизм. Получился счётчик, в котором имелось два маятника с катушками, подключенными к источнику напряжения. Под маятниками помещались две токовые катушки с противоположными намотками – и один из них качался медленнее, а другой быстрее, чем без электрической нагрузки. Эта разность хода передавалась счётному механизму счётчика. Маятники менялись ролями каждую минуту, чтобы компенсировать разницу в исходной частоте колебаний. В этот же момент заводились два часовых механизма (довольно дорогих, кстати).

Так уже можно было измерять электропотребление в ампер-часах, даже ватт-часах, но исключительно в сетях постоянного тока (правда, других тогда и не было пока).

Их постепенно вытеснили более дешёвые моторные счётчики, в которых вращающий момент, то есть и частота вращения ротора, пропорциональны нагрузке. В 1889 году Американец Элиху Томсон разработал свой «Самопишущий ваттметр». Это был двигатель с якорем без металлического сердечника, который запускался от электрического напряжения, проходящего через катушку и резистор с помощью коллектора. Статор приводился в действие током, и поэтому вращающий момент был пропорционален произведению напряжения и силы тока. Тормозной момент обеспечивался постоянным электромагнитом, который воздействовал на алюминиевый диск, прикрепленный к якорю. Большим недостатком моторных электросчетчиков являлся коллектор. Такой счётчик использовался преимущественно для постоянного тока.

Между тем, наступала эра тока переменного: человечество научилось не только вырабатывать его в промышленных масштабах, но и передавать на дальние расстояния (см. об этом статьи в электронной версии нашей газеты: «Трансформация трансформатора», «Ток в пути»). Это позволяло создавать крупные энергетические сети и системы, сделать электричество в полном смысле общедоступным.

Но надо было придумать прибор, измеряющий количество потреблённой электроэнергии переменного тока.

В 1885–1888 годах итальянец Галилео Феррарис, хорват Николя Тесла и американец Оливер Блэкберн Шелленбергер сделали важное открытие: два не совпадающих по фазе поля переменного тока могут заставить вращаться сплошной ротор, такой как диск или цилиндр.

Эффект вращающихся полей Шелленбергер сумел использовать для изобретения счётчика количества электричества для переменного тока. Об этом мы расскажем в следующем номере.