История открытий в электроэнергетике

 

Министерство образования и науки РФ

Ачинский филиал

федерального государственного автономного

образовательного учреждения высшего

профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

 

 

 

 

 

 

Специальность _______________________________________

Дисциплина ______________________________________

Группа ______________________________________________

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

_____________________________________

(тема)

_______________________________________

 

 

 

 

 

 

Преподаватель             __________________             _____________

(дата, подпись)                                                               (И.О.Ф. )

 

Разработал студент     __________________             _____________

(дата, подпись)                                                               (И.О.Ф. )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ачинск 2013 г.

История открытий в электроэнергетике.

 

Открытие и применение электричества было одним из величайших достижений человечества. Этому предшествовали усилия многих и многих людей разных профессий в разные эпохи. Попробуем перечислить в исторической последовательности некоторые наиболее известные открытия, изобретения, примеры применения электричества и вспомнить их создателей.

В античной Греции на стыке VII-VI вв. до н.э. купец, философ и ученый Фалес Милетский натирал меховой шкуркой кусок окаменевшей смолы – янтарь, который после этого получал способность притягивать к себе различные легкие предметы: перо птицы, сухие листочки и т.п.

Спустя много столетий элементарную заряженную частичку (несущую единичный электрический заряд) стали называть электрон (по-гречески – янтарь).

В V в. до н.э. вблизи древнего города Магнезия (территория современной Турции) находили удивительные путеводные продолговатые камни. Они, подвешенные на длинных нитях, всегда указывали одно направление. Это были куски магнитной руды, которая впоследствии получила свое название в честь города, где была найдена.

Первые сведения о применении электричества для металлизации сосудов относятся к III в. до н.э. (применение в ремесле). Использовались электроды из меди и железа, а электролитом являлось вино.

Электродвижущая сила такого химического источника электричества достигала ~ 0,8 В.

Потом эти открытия были частично или полностью утеряны (или забыты), человечество изобретало и открывало их вновь.

Основоположником науки о магнетизме является англичанин У. Гильберт (540-1603), (рис. 17). В 1600 г. вышел труд У. Гильберта “О магните, магнитных телах и большом магните – Земле”,в котором он описывает разные полюса у магнита (северный и южный), поведение одинаковых и разноименных полюсов, способы намагничивания железа.Он первый указал на наличие магнитного поля Земли, посвятив этому открытию 18 лет жизни и поставив около 600 опытов, создал первоем электроизмерительное устройство – электроскоп и назвал электрическими тела, способные электризоваться.

Первым источником электроэнергии уже нашей эры стал электростатический генератор (трибоэлектрический), изобретенный в 1663 г. мэром Магдебурга Отто фон Герике (рис. 18).

Он изготовил шар из серы, который вращали вручную (трением поверхности руками). В результате на шаре накапливался электрический заряд. Мощность шара была менее 1 Вт. Казалось бы пустяк, однако с его помощью были открыты многие важные явления и свойства электричества.  В 1675 г. И. Ньютон описал электризацию тел.

Может возникнуть впечатление, что   XVII век немногое внес в развитие науки об электричестве, но именно тогда был заложен ее фундамент и дан мощный импульс к разнообразным исследованиям электрических явлений следующих столетий.

Ф. Хауксби в 1705 г. создал электрический генератор, используя вместо серного шара стеклянный. В 1743 г. в такую машину был введен скользящий контакт, который снимал заряд, и машина смогла при вращении непрерывно отдавать электрическую энергию.

С. Грей в 1729 г. заметил, что одни вещества проводят электричество, а другие не проводят.

Ш. Дюфе вначале XVIII в. открыл электрическое взаимодействие заряженных тел – притяжение разноименных и отталкивание одноименных тел.

В середине XVIII в. в Лейдене была создана «лейденская банка» – прообраз электрического конденсатора. Открытие этого конденсатора принадлежит преподавателю физики голландцу Мушенбруку и немецкому священнику фон Клейсту. Заряжалась “лейденская банка” с помощью серного шара фон Герике.

“Лейденская банка” представляла собой стеклянную банку с остатками ртути на внутренней поверхности. Через пробку в нее вставлялся гвоздь, а снаружи банка обертывалась металлической фольгой. Гвоздь и фольга служили электродами, а стекло (диэлектрик) накапливало заряд от серного шара Герике.

Опыт с заряженной “лейденской банкой” демонстрировался в присутствии большого скопления народа на площади во Франции.180 гвардейцев короля становились в круг, взявшись за руки. Один из гвардейцев притрагивался к фольге “лейденской банки”, а последний в цепи притрагивался к металлическому стержню. По всей цепи гвардейцев мгновенно протекал ток и все люди получали электрический удар, который тут же вызывал реакцию людей – вскрики, прыжки, взмахи рук и т.п. Ученые регистрировали воздействие электричества на человека, проводимость человеческого тела, а также электрический удар.

Пытаясь зарядить “лейденскую банку” от небесного электричества (молнии), в 1753 году погиб товарищ М.В.Ломоносова Г.В.Рихман.

Михаил Васильевич Ломоносов, родоначальник отечественной науки, в 1753 г. поставил задачу перед учеными: “… сыскать подлинную электрической силы причину и составить ее точную теорию”.

М.В. Ломоносов много занимался “ небесным электричеством”, описывал электрические явления и способ получения электричества искусственным путем – труд “Об електрической силе…”.

Со своим другом Г. В. Рихманом они проделали множество наблюдений и опытов с небесным электричеством – молнией, северным сиянием. Ломоносов высказал очень важную мысль о возможности передачи электричества на большие расстояния и о практическом использовании электричества для металлизации поверхности металлов (1747 г.); только через 100 лет Б.С. Якоби открывает и применяет гальванопластику.

Георг Вильгельм Рихман (1711 – 1753) создал в Петербурге лабораторию по исследованию электрических явлений, изготовил целый ряд электроизмерительных приборов.

Молниеотвод от шаровых молний был изобретен русским инженером Б. Игнатовым в XX в.

В 1759 г. академик Российской Академии Ф. Эпинус (1724 –1802) открыл и объяснил электрическую поляризацию, существование силовых магнитных линий, взаимодействие электрических и магнитных масс.

Из перечисленного выше невольно напрашивается жизненно важный вывод (над которым мы редко задумываемся): первые и очень важные открытия в любой области знаний нередко совершают специалисты других разделов науки или деятельности.

Подтвердим это высказывание еще некоторыми примерами.

Итальянец Луиджи Гальвани (1737-1798), заведующий кафедрой анатомии, в 1791 г. опубликовал труд ”Трактат о силах электричества при мышечном движении”.

Он открыл существование электрических токов внутри живых существ, препарируя железным скальпелем лежащую на медном блюде лягушку (разные металлы!).

В 1800 г. А. Вольта объявил Лондонскому Королевскому обществу об изобретении вольтова столба. Свой источник электричества он назвал в честь Гальвани гальваническим элементом. Это был источник электричества более мощный, чем генератор Герике. Этот источник состоял из большого количества малых элементов, каждый из которых содержал две пластинки из пары разных металлов: медь – свинец или серебро – цинк, между котоыми находилась пористая, пропитанная кислотой (или щелочью), прокладка.

В 1821 г. был изобретен еще один источник электричества – термоэлемент. Профессор Т.И. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что, если один спай двух разнородных металлов A и B (например, медь-константан) нагреть (Tг), а второй спай охладить (Tх), или просто не нагревать, то возникает термоэлектродвижущая сила.

Ж. Пельтье (1785-1845) открыл противоположное явление в 1834 году. Если к одному из спаев двух разнородных проводников приложить постоянное электрическое напряжение, то один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться.

 

Начальный период использования электричества.

Гальванопластика, освещение и электротермия

 

Гальванопластика. Одним из первых практических применений электричества была металлизация – осаждение тонкого слоя металла на поверхность изделия с помощью электрического тока.

Эту идею высказал в середине XVIII века М.В. Ломоносов, а применил практически через  100 лет, в 1847 г., Б.С. Якоби (1801-1874). С тех пор гальванопластика стала широко внедряться в промышленность. Б.С.Якоби, талантливый инженер и ученый, физик, электротехник, изобрел и создал электрический двигатель с вращательным движением, создал гальванотехнику, несколько типов электромагнитных телеграфов, применил электричество в минном деле и др.

Электрическое освещение – первое массовое энергетическое применение электрической энергии – сыграло исключительно важную роль в становлении электроэнергетики и превращении электротехники в самостоятельную отрасль техники. Электрическое освещение явилось одной из первых областей применения электричества после гальванопластики.

У истоков освещения с помощью электричества стоял Василий Владимирович Петров (1761-1834), профессор медицинско-хирургической Академии в Петербурге. Он был преемником и продолжателем трудов М.В. Ломоносова.

Исследуя световые явления, вызываемые электрическим током, В.В.Петров сделал свое знаменитое открытие – электрическую дугу, сопровождающуюся появлением яркого свечения и высокой температуры. Это произошло в 1802 г. и имело огромное историческое значение. Наблюдения и анализ Петровым свойств электрической дуги легли в основу создания электродуговых ламп, ламп накаливания, электросварки металлов и многого другого.

В 1803 г. В.В. Петров первым в мире показал возможность применения электротока (электродуги) в металлургии. Петров исследовал электропроводимость различных жидких и твердых тел, высказал мысль о возможности разложения воды электрическим током, открыл реакцию окисления и восстановления металлов, открыл принцип аккумулирования электричества.

В 1875 г. Павел Николаевич Яблочков (1847-1894), создает электрическую свечу, состоящую из двух угольных стержней, расположенных вертикально и параллельно друг другу, между которыми проложена изоляция из каолина (глины). Чтобы горение (свечение) было более продолжительным, на одном подсвечнике помещалось четыре свечи, которые горели последовательно (во времени).

В 1876 г. свеча П.Н. Яблочкова получила признание за границей; он становится миллионером. Улицы Парижа, театры Лондона стали освещаться «русским светом». Только после этого свечи Яблочкова стали внедряться в России.

Александр Николаевич Лодыгин (1847-1923) (рис. 32), в 1872 г. предложил вместо   угольных электродов в свече Яблочкова использовать нить накаливания (сначала угольную, а затем из тугоплавкого металла), которая при протекании электрического тока ярко   светилась. Это было безопасное для людей, яркое и дешевое освещение посредством электричества.

А.Н. Лодыгин писал, что электрический свет должен быть единственным искусственным светом как по своей силе и ровности, так и по безопасности и дешевизне.

Список изобретений А.Н. Лодыгина очень велик. В него входят электрические индукционные печи и печи сопротивления, сварочные аппараты, аккумуляторы, электрические приборы, извлечение из руд алюминия и других металлов, электровертолет, скафандр и многое, многое другое.

Дмитрий Александрович Лачинов (1842-1902) изобрел много различных приборов: регулятор напряжения, оптический динамометр, способ центробежной отливки рефлекторов. В 1880 г. Д.А. Лачинов написал книгу “Электромеханическая работа”, которая содержала исследование работы электрических машин; в ней было приведено математическое доказательство, что на большие расстояния может передаваться любое количество электроэнергии путем увеличения электрического напряжения.

Вопрос передачи электрической энергии по проводам на большие расстояния поставил впервые в 1760 году М.В. Ломоносов; Д.А. Лачинов и М. Депре провели теоретические разработки электропередачи; Ф.А. Пироцкий и Фонтен впервые осуществили передачу с помощью изолированных проводов и используя обычные рельсовые пути.

Томас Эдисон (1847-1931) (рис. 33), талантливый американский инженер-электротехник, изобретатель, который свои идеи и идеи других быстро претворял в жизнь. Им была усовершенствована лампа накаливания Лодыгина (откачал из баллона лампочки воздух, придумал цоколь с винтовой нарезкой и т. п.); заводы Эдисона стали выпускать лампы накаливания миллионами штук во всем мире.

Николай Николаевич Бенардос (1842-1905) применил электрическую дугу для сварки металлических листов, резки металлов, отверстий. Разработал технологии сварки в среде защитных газов и точечной сварки.

Николай Гаврилович Славянов (1854-1897) (рис. 35), создал конструкции электрических машин и аппаратов, динамомашин и регуляторов электрической дуги. Использовал электрод и как средство для создания электрической дуги, и как носитель металла для создания шва при сваривании листов или деталей. Он же применил электроподогрев металлических отливок для равномерного остывания по всему объему.

Н.Н.Бенардос и Н.Г.Славянов использовали открытие В.В.Петрова по плавлению и свариванию металлов в электрической дуге. Один из первых русских профессоров электротехники Михаил Андреевич Шателен писал:  «Первая половина XIX в. была особенно богата результатами изучения электрического тока: была открыта электрическая дуга (В.В. Петров), были открыты термоэлектрические явления (Т. Зеебек, Ж. Пельтье); найден закон тепловых действий тока (закон Джоуля-Ленца), были определены законы химического действия тока (законы М. Фарадея), были установлены законы Г.Ома и Г. Кирхгофа, внесшие большую ясность в понимание явлений тока; были обнаружены свойства тока намагничивать железо и действовать на магниты; были найдены законы взаимодействия токов между собой и тока с магнитами; были открыты законы электромагнитной индукции».

Со временем вольтов появились другие источники электричества: гальванические, термоэлементы, динамо-машины, электрогенераторы.

Кроме постоянного тока появился однофазный переменный ток, получавшийся от электромагнитных генераторов, а позже – и трех-фазный ток (М.О. Доливо-Добровольский).

По мере развития электроэнергетики, внедрения ее в промышленность, транспорт, быт возникла потребность накопления электроэнергии. В.В. Петров в начале XIX в. создает предпосылки для создания аккумуляторов, проводит эксперименты.

Г. Планте создает свинцовый аккумулятор в 1859 г. К. Фор конструирует свинцово-кислотный аккумулятор в 1880 г. А.Н. Лодыгин разрабатывает теорию аккумулирования электричества для проектируемого электровертолета.

В 1886 г. М. Депре создает буферную аккумуляторную батарею.

В 1984 г. были созданы серно-натриевые аккумуляторы, намного превышающие по технико-экономическим показателям свинцовокислотные.

Приведем некоторые числовые данные для материалов, способных аккумулировать электрическую энергию, из расчета на 1 кг веса:

Pb 16 Вт·ч на 1 кг веса

Воздушно – Zn 160 Вт·ч

Li – Ni   200 Вт·ч

S – Na300 Вт·ч

Li – Cl   500 Вт·ч

Бензиновый двигатель 2400 Вт·ч.

Аккумулирование электрической энергии необходимо для работы автономного транспорта – электромобилей, электровертолетов, подводных лодок; для накопления энергии в периоды её низкого потребления и выдачи её во время пиковых нагрузок и в других случаях.

Чтобы научить силу электрического тока стать творить чудеса, нужны были генераторы и электродвигатели. Над этим думали многие изобретатели, в том числе и русские.

 

Электродвигатели, электрогенераторы, трансформаторы

 

Открытия и исследования Д. Араго, Г. Эрстеда, А. Ампера, Г. Ома, М. Фарадея и других изобретателей и ученых послужили толчком для изобретательской фантазии инженеров, которые стали называться электриками. Важнейшим этапом в развитии электроэнергетики явилось изобретение и применение электрических машин.

В технике основными устройствами, использующими явление электромагнитной индукции, являются генераторы электрического тока, электродвигатели и трансформаторы. Рассмотрим их основное современное устройство и назначение, чтобы затем проследить исторические вехи разработки этих устройств и указать их авторов.

Генератор. Состоит из статора и ротора. Массивный неподвижный статор представляет собой полый стальной цилиндр, на внутренние стенки которого уложено большое число витков металлического провода, покрытого изоляцией и ведущего электричество во внешнюю электрическую цепь к потребителю.

Ротор представляет собой цилиндр с пазами для проводов, являющийся большим подвижным электромагнитом, установленным внутри статора.

Под действием паровой турбины, гидротурбины, паровой машины или другого двигателя ротор начинает вращаться, а в проводах статора, благодаря электромагнитной индукции, возникает электрический ток.

Электродвигатель. В электродвигателях происходит другое явление: электрический ток, протекая через провода статора, заставляет ротор вращаться. С помощью механических приспособлений движение ротора можно передать ленте трансмиссии, станку, эскалатору метро и другим механизмам.

Трансформатор. Состоит из магнитного сердечника и двух или более катушек, которые имеют разное число витков. Если подвести переменный электрический ток к катушке с большим числом витков – ток большего напряжения, то со стороны катушки с меньшим числом витков можно снять больший ток, но меньшего напряжения.

Создание электрических генераторов, электродвигателей, трансформаторов требовало изучения свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории.

Первыми в этом направлении были работы профессора Московского Университета Александра Григорьевича Столетова (1839-1896). В 80-х гг. им была обнаружена петля гистерезиса и доменная структура у ферромагнитных материалов.

Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей. В 1895 г. Пьер Кюри обнаружил существование у ферромагнетиков критической температуры, выше которой происходит исчезновение доменной структуры и потеря ферромагнетизма – точки Кюри.

Применение электричества для связи, освещения, двигательной силы потребовало создания электроизмерительных приборов, Системы единиц измерения.

К 80-м гг. появились гальванометры, амперметры, вольтметры, магазины сопротивления, а начало созданию электроизмерительных приборов положили М.В. Ломоносов, Г.В. Рихман, Б. Франклин еще в XVIII в.

В 1881 г. в Париже собрался первый Международный конгресс электриков. Было принято постановление о разработке единой системы единиц. В группу разработчиков входили: Г. Гельмгольц, Г. Кирхгоф, У. Томсон, Р. Клаузиус, А.Г. Столетов и др.

 

 

 

Электродвигатели

 

История создания двигателей уходит в глубокую древность. Сложными путями шел человек к открытию и познанию законов физики, созданию различных механизмов, машин.

Впервые двигатель назвал машиной римский зодчий Марк Полион (1 в. до н. э.).

Важнейшим этапом в развитии электроэнергетики явилось изобретение и применение электродвигателей. Принцип действия электродвигателей основан на физическом явлении: виток проводника, по которому протекает электрический ток, будучи помещенным между магнитами, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатель, как правило, компактнее других двигателей, всегда готов к работе, может управляться на расстоянии.

История электродвигателя – сложная и длинная цепь открытий, находок, изобретений. Проследим этапы развития электродвигателей.

I этап. Начальный период развития электродвигателя (1821-1834гг.). Он тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.

В 1821 г. М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита, или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея показал принципиальную возможность построения электрического двигателя.

Многие исследователи предлагали различные конструкции электродвигателей.

Первые электродвигатели напоминали по устройству паровые машины: двигатель Дж. Генри (1832 г.) и двигатель У. Пейджема (1864 г.) имели коромысла, кривошип, шатун, а также золотники (переключатели тока в соленоидах, заменявших собой цилиндр).

П. Барлоу предложил «колесо Барлоу». Оно состояло из постоянного магнита и зубчатых колес, скользящий контакт осуществлялся с помощью ртути, а питалось колесо от гальванического элемента.

Дж. Генри предложил в 1832 г. модель двигателя с возвратно-поступательным движением: подвижный электромагнит поочередно притягивался к постоянным магнитам и отталкивался от них, замыкая и размыкая батареи гальванических элементов. Он совершал 75 качаний в минуту.

Было еще много попыток создания двигателей с касательным движением якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки построить двигатель с вращательным движением якоря.

II этап. Второй этап развития электродвигателей (1834-1860 гг.) характеризуется конструкциями с вращательным движением явнополюсного якоря. Однако вращательный момент на валу у таких двигателей обычно был резко пульсирующим.

В 1834 г. Б.С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. В 1838 г. этот двигатель (0,5 кВт) был испытан на Неве для приведения в движение лодки с пассажирами (рис. 37), т. е. получил первое практическое применение.

Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б.С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:

- применение электродвигателей  находится в прямой зависимости  от удешевления электрической  энергии, т.е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические  элементы;

- электродвигатели должны  иметь по возможности малые  габариты и по возможности  большую мощность и больший  коэффициент полезного действия.

III этап. Третий этап в развитии электродвигателей (1860-1887 гг.) связан с разработкой конструкций с кольцевым  неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом.

На этом этапе нужно отметить электродвигатель итальянца А. Пачинотти (1860 г.). Его двигатель состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов.

Подвод тока осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов включалась последовательно с обмоткой якоря (т.е. электромашина имела последовательное возбуждение). Габариты двигателя были невелики, он имел практически постоянный вращающий момент. В двигателе Пачинотти явно полюсный якорь был заменен неявно полюсным.

Барабанный якорь, в котором рабочим является проводник, составляющий виток, был изобретен лишь в 1872 г. В. Сименсом. Еще через 10 лет в железе якоря появились пазы для обмотки (1882 г.). Барабанный якорь машины постоянного тока стал таким, каким мы его можем видеть в настоящее время.

Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи, с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешевого источника электрической энергии – электромагнитного генератора постоянного тока.

В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции. В дальнейшем он все более и более совершенствовался.

По роду тока электродвигатели стали делиться на машины переменного и постоянного тока; по принципу действия машины переменного тока делятся на синхронные и асинхронные.

Асинхронные двигатели отличаются простотой конструкции, малой стоимостью, надежностью в работе. Они являются самым распространенным видом двигателей.

 

Электрогенераторы

 

Прототип генератора электрического тока, основанный на принципе электромагнитной индукции, был сконструирован Фарадеем в 1831 г. Он состоял из медного диска, вращающегося вручную между полюсами постоянного магнита. При этом в диске индуцировалась электродвижущая сила (ЭДС); полюсами служили ось диска и неподвижная щетка, имеющая скользящий контакт с краем диска.

1842 год считается годом  рождения электроснабжения предприятий.

В 1856-1866 годах появилась идея самовозбуждения электрогенератора (без гальванического элемента). Многие исследователи, инженеры независимо друг от друга, раньше или позже пришли к этому: венгр А. Йедлик (1800-1895); немец Э.В. Сименс (1816-1892); англичане Г. Уайлд (1833-1919), С.А. Варли; американец М.Г. Фармер (1820-1893); датчанин С. Хьерт (1802-1870) и др.

Промышленное освоение электрогенераторов началось после 1870 г., когда француз З. Грамм создал генератор с кольцевым ротором, тороидальной обмоткой и коллектором почти современной конструкции. А. Пачинотти (1841-1912) на 10 лет раньше построил подобный электродвигатель.

В 1880 г. американец Т. Эдисон  предложил делать магнитопровод якоря электрогенератора наборным из изолированных стальных листов. Это уменьшило потери и реакцию якоря.

В 1884 г. была предложена компенсационная обмотка, а в 1885 г. дополнительные полюса для уменьшения реакции якоря и улучшения коммутации.

Создание электрогенераторов и электродвигателей на постоянном токе решало многие вопросы существующей в то время энергетики, но передача энергии на дальние расстояния оказалась затруднительной.

В 1876 г. П.Н.Яблочков создал дуговые лампы, которые гораздо эффективнее работали на переменном токе. Для питания нескольких дуговых ламп от одного источника Яблочков использовал индукционные катушки с ответвлениями – прообраз трансформатора или простейший трансформатор с разомкнутым сердечником.

Введение переменного тока должно было позволить передавать электроэнергию с помощью повышающих трансформаторов напряжения на большие расстояния. Но теперь встал вопрос о создании генераторов переменного тока.