Этапы развития электротехники
Введение
Решающая роль в современном
научно-техническом прогрессе принадлежит
электрификации. Как известно, под электрификацией
понимается широкое внедрение электрической
энергии в родное хозяйство и быт, и сегодня
нет такой области техники, в том или ином
виде не использовалась бы электрическая
энергия в будущем ее применение будет
еще более расширяться.
Это определение можно раскрыть более
подробно, выделив основные области, в
которых используют электрические и магнитные
явления: преобразование энергии природы
(энергетическая); превращение вещества
природы (технологическая); получение
и передача сигналов или информации (информационная).
Поэтому более полно электротехнику можно
определить, как область науки и техники,
использующую электрические и магнитные
явления для осуществления процессов
преобразования энергии и превращения
вещества, а также для передачи сигналов
и информации.
В последние десятилетия из электротехники
выделилась промышленная электроника
с тремя ее направлениями: информационное,
энергетическое и технологическое, которые
с каждым годом приобретают все большее
значение в ускорении научно-технического
прогресса.
Этапы развития электротехники
В развитии электротехники условно можно выделить следующие шесть этапов:
1. Становление электростатики (до 1800 г.)
К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследования атмосферного электричества, разработка первых теорий электричества, установление закона Кулона, зарождение электромедицины.
2. Закладка фундамента электротехники, ее научных основ {1800 — 1830 гг.)
Начало этого периода ознаменовано созданием «вольтова столба» — первого электрохимического генератора, а вслед за ним «огромной наипаче батареи» В. В. Петрова, с помощью которой им была получена электрическая дуга и сделано много новых открытий. Важнейшими достижениями этого периода является открытие основных свойств электрического тока, законов Ампера, Био - Савара, Ома, создание прообраза электродвигателя, первого индикатора электрического тока (мультипликатора), установление связей между электрическими и магнитными явлениями.
3. Зарождение электротехники (1830—1870 гг.)
Самым знаменательным событием этого периода явилось открытие М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, создание первого электромашинного генератора. Разрабатываются разнообразные конструкции электрических машин и приборов, формулируются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники электрического освещения, первые электроавтоматические приборы, зарождается электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение электрической энергии было невозможно из-за отсутствия экономичного электрического генератора.
4. Становление электротехники как самостоятельной отрасти техники (1870—1890 гг.)
Создание первого измышленного
электромашинного генератора с самовозбуждением
(динамомашины) открывает новый этап в
развитии электротехники, которая становится
самостоятельной отраслью техники.
Одновременно разрабатываются способы
передачи электрической энергии на большие
расстояния посредством значительного
повышения напряжения линий электропередач.
5. Становление и развитие
С этого времени начинается бурное развитие электрификации: строятся мощные электростанции, возрастает напряжение электропередач, разрабатываются новые конструкции электрических машин, аппаратов и приборов. Электрический двигатель занимает господствующее положение в системе промышленного привода. Процесс электрификации постепенно охватывает все новые области производства: развивается электрометаллургия, электротермия, электрохимия. Электрическая энергия начинает все более широко использоваться в самых разнообразных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту.
6. Зарождение и развитие
Рост потребности в постоянном токе (электрохимия, электротранспорт и др.) вызвал необходимость в развитии преобразовательной техники, что привело к зарождению, а затем бурному развитию промышленной электроники.
Электротехника становится
базой для разработки автоматизированных
систем управления энергетическими и
производственными процессами. Создание
разнообразных электронных, в особенности
микроэлектронных устройств позволяет
коренным образом повысить эффективность
автоматизации процессов вычислений,
обработки информации, осуществлять моделирование
сложных физических явлений, решение логических
задач и др. при значительном снижении
габаритов, устройств, повышении их надежности
и экономичности.
Закладка фундамента
электротехники
- Аллесандро Вольта и первый электрохимический генератор.
- Электрохимический телеграф.
- В.В. Петров и его открытия.
- Сэр Гемфри Дэви и практическое применение электричества.
- Опыты Г.Х. Эрстеда.
- Первые электроизмерительные приборы.
- Аркюэльское созвездие и электромагнетизм.
- Андре Мари Ампер - основатель электродинамики.
- Георг Симон Ом и первый закон электротехники.
- Первый электромагнит - Стерджен.
- Аллесандро Вольта и первый электрохимический генератор.
Алессандро Вольта родился 18 февраля 1745 г. в родовом имении предков, близ небольшого городка Комо на севере Италии. Он выходец из аристократической семьи, его матерью была герцогиня Маддалена Инзаи. Затем его развитие пошло очень быстро. Вопреки уготованной ему карьере священнослужителя он увлекся физическими опытами и уже в 18 лет вел переписку с одним из наиболее видных физиков-электриков того времени, демонстратором эффектных публичных электрических опытов аббатом Жаном Нолле.
В тридцать лет Вольта стал знаменитым. Он изобрел смоляной электрофор, или, как назвал его сам изобретатель, "elettrophoro perpetuo", что значит "постоянный носитель электричества". В электрофорной машине использовалось явление электризации посредством индукции, в то время как в применявшихся электростатических машинах электричество получалось путем трения. Прибор исключительно прост и так же исключительно оригинален. Он состоит из двух металлических дисков. Один, допустим нижний, покрыт слоем смолы. При натирании его рукой, кожаной перчаткой или мехом диск заряжается отрицательным электричеством.
Вольта указывал, что его электрофор "продолжает работать даже спустя три дня после зарядки". И далее: "Моя машина дает возможность получить электричество во всякую погоду и производит эффект более превосходный, чем лучшие дисковые и шаровые (электростатические - прим. авт.) машины". Итак, электрофор - прибор, позволяющий получать мощные разряды статического электричества. Вольта извлекал из него "искры в десять или двенадцать толщин пальцев и даже более... ".
Электрофор Вольты послужил
основой для сооружения целого класса
индукционных, так называемых "электрофорных",
машин.
С современной точки зрения теория контактного
электричества, предложенная Вольтой,
была ошибочной. Он рассчитывал на возможность
непрерывного получения энергии в виде
гальванического тока без затраты на это
какого-либо другого вида энергии.
Все-таки в конце 1799 г. Вольте удается добиться желаемого. Сначала он установил, что при соприкосновении двух металлов один получает большее напряжение, чем другой. Например, при соединении медной и цинковой пластин медная имеет потенциал 1, а цинковая 12. Последующие многочисленные эксперименты привели Вольту к выводу, что непрерывный электрический ток может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников - металлов (которые он называл проводниками первого класса) и жидкостей (названных им проводниками второго класса).
Таким образом, Вольта, сам того
до конца не осознавая, пришел к созданию
электрохимического элемента, действие
которого основывалось на превращении
химической энергии в электрическую.
Значительные напряжения Вольта смог
получать, располагая столбиком кружки
одинаковых контактных пар металлов, одинаково
ориентированных и разделенных влажными
прокладками из ткани. Суть этого сам Вольта
проиллюстрировал на примере своей чашечной
батареи (рис. 2 вверху). В левой чашке находится
одна медная пластина, ее потенциал 1. В
трех последующих чашках левые пластины
- цинковые, правые - медные; в последней
чашке - цинковая; каждая цинковая в одной
чашке соединена металлической дужкой
с медной в соседней чашке. Первая цинковая
пластина имеет потенциал 12. Вольта допустил,
что две металлические пластинки, разделенные
жидкостью, приобретают одинаковые потенциалы.
Следовательно, вторая медная будет иметь
потенциал также 12, а вторая цинковая 12
+ 11 =23; третья цинковая 12 + 2 * 11 = = 34; четвертая
12 + 3 * 11 = 45 и т. д. Например, 10-я цинковая
приобретет потенциал 12 + 9 * 11 = 111.
О своем открытии Вольта сообщил
в письме от 20 марта 1800 г. президенту Лондонского
Королевского общества Джозефу Бэнксу.
В сообщении "Об электричестве, возбуждаемом
простым соприкосновением простых проводящих
веществ" он пишет: "... Я ... имею удовольствие
сообщить о некоторых поразительных результатах,
полученных мною. Главный из этих результатов
... создание прибора, который действует
непрерывно ..., создает неуничтожаемый
заряд, дает непрерывный импульс электрическому
флюиду". И далее: "Снаряд, о котором
я говорю, - и это удивит Вас - ... есть не
что иное, как собрание хороших проводников
разного рода, расположенных определенным
образом. Двадцать, сорок или шестьдесят
кружков меди или, еще лучше, серебра, сложенных
каждый с кружком олова или лучше цинка,
и такое же количество слоев воды или какой
иной жидкости, лучше проводящей, чем вода,
например, соляного раствора, щелока и
т. п., или кусков картона, кожи и т. п. хорошо
смоченных этими жидкостями, причем эти
слои располагаются между обоими разнородными
металлами каждой пары. Вот все, что составляет
мой новый инструмент". Сам Вольта первоначально
предлагал назвать свой прибор, или снаряд,
или инструмент "искусственным электрическим
органом", затем переименовал в "электродвижущую
колонну". Позже французы стали называть
этот прибор "гальваническим столбом",
или "вольтовым столбом".
- Электрохимический телеграф
Открытия профессора медицины в Болонье Л.Гальвани (1737-1798) и профессора физики университета в Павии А. Вольта (1745-1827) в конце 18 века показали тесную связь электрических и химических явлений. Почти сразу химическое действие тока было использовано баварским врачом Земмерингом для создания электрохимического телеграфа. В 1809 году он демонстрировал аппарат, состоящий из двух частей, соединенных 35 проволоками, соответствующими буквам и иным знакам.
Электроды батареи, поставленной на одной станции, могли соединяться с любой из них. На приемной станции концы проводов опускались в сосуд, заполненный водой, слегка подкисленной кислотой.
Пропускание тока приводило к разложению воды и выделению на проводе пузырьков водорода или кислорода, что свидетельствовало о передаче той или иной буквы.
После долгих злоключений Земмерингу удалось в 1812 году передавать сообщения на расстояние свыше 3 км, но его телеграф так и не получил распространения, будучи дорогим и громоздким.
- В.В. Петров и его открытия
Василий Владимирович Петров (1761–1834), российский физик. Опубликовал работу под названием: «Известие о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров посредством огромной наипаче баттереи, состоящей иногда из 4200 медных и цинковых кружков и находящейся при Санкт-Петербургской Медико-Хирургической академии». Построил самую мощную по тем временам батарею, составленную из 2100 гальванических элементов. «Баттерея» состояла из четырех рядов, каждый длиной 10 футов (ок. 3 м), соединяемых последовательно с помощью медных скобок. Открыл электрическую дугу: «Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений посредством гальвано-вольтовой жидкости, и если потом металлическими изолированными направителями (directores), сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линий (2.1–6.3 мм), то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медленнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может». Установил зависимость силы постоянного тока от площади поперечного сечения проводника; широко применял параллельное соединение электрических цепей.
Талантливый ученый опережает современников в понимании путей и задач науки. Он может преодолеть разрыв между обилием идей и ограниченностью возможностей, передавая свои мысли ученикам и ближайшим коллегам. На есть еще один, предельно демократическнй подход - передать мысли и задачи любому, желающему их воспринять. Вспомним, какую роль в развитии математики сыграл знаменитый список проблем, провозглашенный Давидом Гильбертом. И вот что предлагает Петров:
"Величайшая произошла
бы польза, относительная к
Василий Владимирович Петров не только
быстро писал свои книги, но и вообще быстро
работал. он опубликовал и третью книгу
"Новые электрические опыты", посвященную
электризации проводников трением.
- Сэр Гемфри Дэви и практическое применение электричества.
Гемфри Дэви (1778-1829) родился в маленьком городке Пензансе на юго-западе Англии. Об этой местности есть старинная поговорка: "Южный ветер приносит туда ливни, а северный - возвращает их".
В первые годы XIX века Дэви увлекся изучением действия электрического тока на различные вещества, в том числе на расплавленные соли и щелочи. Тридцатилетний ученый сумел в течение двух лет получить в свободном виде шесть ранее неизвестных металлов: калий, натрий, барий, кальций, магний и стронций. Это стало одним из самых выдающихся событий в истории открытия новых химических элементов, особенно если учесть, что щелочи в то время считались простыми веществами.
Однажды во время опытов с неизвестными металлами произошло несчастье: расплавленный калий попал в воду, произошел взрыв, в результате которого Дэви жестоко пострадал. Неосторожность обернулась для него потерей правого глаза и глубокими шрамами на лице.
Дэви пытался разложить электролизом
многие природные соединения, в том числе
и глинозем. Он был уверен, что и в этом
веществе содержится неведомый металл.
Ученый писал: "Если бы мне посчастливилось
получить металлическое вещество, которое
я ищу, я бы предложил для него название
- алюминий". Ему удалось получить сплав
алюминия с железом, а чистый алюминий
был выделен лишь в 1825 году, когда Дэви
уже прекратил свои эксперименты, датским
физиком Х.К. Эрстедом.
В течение своей жизни Гемфри Дэви неоднократно
возвращался к проблемам получения металлов,
хотя его интересы были весьма разносторонними.
Так, в 1815 году он сконструировал безопасную
рудничную лампу с металлической сеткой,
которая спасла жизнь многим шахтерам,
а в 1818 году получил в чистом виде еще один
щелочной металл - литий.
- Опыты Г.Х. Эрстеда
Вопрос о взаимоотношении электричества и магнетизма еще долгое время оставался неясным, хотя многочисленные факты говорили об их тесной связи. Так, во время гроз перемагничивались стрелки компасов и намагничивались железные предметы. Но только в 1820 году было сделано решающее открытие в этом вопросе. А вот одна из версий этого события.
15 февраля 1820 года профессор
Копенгагенского университета
Когда 43-летний копенгагенский профессор
Ганс Христиан Эрстед (1777...1851) разослал
европейским коллегам свой ставший сразу
знаменитым «Памфлет» о действии электрического
тока на магнитную иглу – всего четыре
странички на латинском языке – и когда
многие ученые смогли с ним познакомиться,
их удивлению не было границ. Неужели ток
действует на магнит столь странно?
Чтобы разобраться в «проблеме
Эрстеда», которую бесспорно следует считать
ключевой в учении об электричестве и
магнетизме, нужно вернуться на два столетия
назад и представить себе маленький датский
остров Лангеланд, городок на нем под названием
Рюдкобинг и семью бедного аптекаря, в
которой родился Ганс Христиан. Нужда
гналась за семьей по пятам, и начальное
образование братьям Гансу Христиану
и Андерсу пришлось получать где придется:
городской парикмахер учил их немецкому;
его жена – датскому; пастор маленькой
церквушки научил их правилам грамматики,
познакомил с историей и литературой;
землемер научил сложению и вычитанию,
а заезжий студент впервые рассказал им
удивительные вещи о свойствах минералов,
пробудил любознательность и приучил
любить аромат тайны.
21 июля 1820 года вышла в свет работа Эрстеда,
в которой описание самого опыта заняло
лишь несколько строк, а объяснение было
нечетким, а порою и неверным. Но он высказал
мысль о существовании вихревого магнитного
поля вокруг проводника с током. 4 сентября
о работах Эрстеда было сообщено на заседании
Парижской Академии наук, и уже через три
недели появился новый раздел физики -
электродинамика, творцом которой стал
преподаватель Политехнической школы
в Париже и член Парижской Академии наук
Ампер.
Его талант, упорство и случайность сплелись
в счастливый клубок, и вот он, блестяще
защитив диссертацию, едет по направлению
университета на годичную стажировку
во Францию, Германию, Голландию. В то время
он скорее был философом, чем физиком.
Его новые друзья – большей частью философы.
Много времени он провел в Германии. Там
он слушал лекции Фихте о возможностях
исследований физических явлений с помощью
поэзии, о связи физики с мифологией. Ему
нравились лекции Шлегеля, но Эрстед не
мог согласиться с ним в необходимости
отказа от непосредственного, экспериментального
исследования физических явлений.
- Первые электроизмерительные
приборы
Первый в мире электроизмерительный прибор - "электрический указатель или электрический гномон" - был создан на основе, видимо, совместного труда Ломоносова и Рихмана. Рихман описал этот прибор в статье: "Об указателе електрическом и его употреблении при опытах електрических, как натурою, так и искусством произведенных".
Прикрепленная к вертикальной
железной изолированной
Уотсон и другие зарубежные и русские исследователи считают электрический указатель, созданный в России, родоначальником всех современных электроизмерительных приборов. Этот указатель был создан русскими учеными в связи с их участием в международном труде по изучению электричества.
В июне 1752 г. в "Санкт-Петербургских ведомостях" появилось известие о том, что Бенджамен Франклин произвел опыты "для изведания, не одинакова ль материя молнии и електрической силы".
Русские исследователи
тогда поделились своим опытом
в связи с известием о
В июле месяце того же года, когда появилось сообщение об опытах Франклина, в "Санкт-Петербургских ведомостях" напечатано описание опытов Г. В. Рихмана, произведенных для изучения электричества, действующего во время гроз. В "Ведомостях" сообщалось:
"Понеже в разных
ведомостях объявлено
Для проведения опытов Рихман применил следующую установку:
"Из середины дна бутылки выбил он иверень и сквозь бутылку продел железной прут, длиною от 5 до 6 футов, толщиною в один палец, тупым концом и закрыл горло ее коркою.
После велел он из
верхушки кровли вынуть
Соорудив установку, исследователь стал ожидать грозы: "...с великою нетерпеливостью ожидал грому, которой 18 июля в полдень и случился". Хотя "гром повидимому был не близко от строения", электрический указатель начал действовать. Электрические искры были получены и непосредственно во Бремя грома, и во время дождя, и после грома. Опыт продолжался полтора часа и привел к заключению;
"Итак совершенно доказано, что електрическая материя одинакова с громовой материей".
Через неделю в "Ведомостях" появилось сообщение: Рихман повторил 21 июля опыты, применяя лейденскую банку, и снова убедился, что "материя грома не разнится... от електрической материи..."
Одновременно с Рихманом опыты по изучению электричества производил Ломоносов. Однако описание его опытов не сохранилось. Имеется только краткая запись в его отчете за 1752 г.
- Аркюэльское созвездие и электромагнетизм
Старшим из аркюэльского созвездия был Лаплас - старше остальных более чем на двадцать лет. Обычно ему приписывают крестьянское происхождение. Однако он получил хорошее образование. Для выпускников бенедиктинской школы, которую окончил Лаплас, уготовано было два пути - церковь и армия. Семья настаивала на церковной карьере, но великолепные успехи Пьера Симона Лапласа в литературе и математике решили проблему - поначалу Пьер Симон занялся искусствами. Позже, однако, он отправился в Париж с рекомендательным письмом к знаменитому математику д'Аламберу, который способствовал его назначению профессором математики в военной школе. Там-то Лаплас впервые и встретился с молодым Наполеоном. Подружившись с ним, а затем женившись на внучке знаменитого французского математика Фурье, Лаплас в дополнение к своему большому математическому таланту приобрел и влияние административное, столь способствовавшее французским успехам в изучении электричества.
Современники писали о нем: "Лаплас был рожден довести все до совершенства, все исчерпать, решить все, что решению поддается. Он бы завершил и небесную механику, если бы наука эта имела конец". Некоторые называли его Ньютоном своего времени. Лаплас умер ровно через сто лет после Ньютона - 5 марта 1827 года, явившись на склоне лет свидетелем расцвета французских, да и не только французских, исследований.
Другому члену этого славного созвездия - Жану Батисту Био, старшему из остальных, суждена была грустная доля пережить всех своих соратников. Его жизнь была наполнена разнообразной и блестящей деятельностью. Начал он с артиллериста, затем попал в Политехническую школу, откуда вышел первоклассным математиком. Потом - профессор в Центральной школе, чем только не занимавшийся: он обследовал только что упавшие метеориты, запускал с Гей-Люссаком воздушные шары, мерил вместе с Араго дугу меридиана на Балеарских островах, помогал Ньепсу - одному из изобретателей фотографии; кстати, одну из самых первых в мире фотографий сделали с Био.
Савар был моложе Био на семнадцать лет. В историю он вошел как один из создателей "закона Био-Савара-Лапласа" - математической зависимости, связывающей величину магнитного поля, создаваемого током, с величиной этого тока.
Следующий член сообщества - Доминик Франсуа Жан Араго был на пять лет старше Савара. Он отличался от прочих членов прежде всего своим огненным темпераментом - уже его фамилия выдает испанское происхождение. Отец его владел плантациями винограда и оливковых деревьев. Учился Араго в Париже в Политехнической школе - там, где как раз сооружались по приказу Наполеона гигантские вольтовы столбы. Покровительство Лапласа сделало для Араго возможным, при его блестящих способностях, стать Секретарем Парижской обсерватории, где он познакомился с Био. В книге "История моей юности" Араго со вкусом описывал приключения в Северной Африке, свою работу во Франции, свои поразительные успехи в науке. Он стал членом Академии наук двадцати трех лет. Его книги до сих пор не потеряли в большой мере своей ценности. Его наблюдения над грозами на суше и в море легли в основу книги "Гром и молния", из которой мы приводили большое число интересных до сего времени выдержек.
И, наконец, последний из созвездия, формально не входивший в "Общество", - Ампер. Последний, разумеется, лишь по порядку, но не по той роли, которую его труды сыграли в истории науки, может быть, стоит даже сказать - человеческой цивилизации.
- Андре Мари Ампер - основатель
электродинамики
Сын лионского коммерсанта Андрэ Мари Ампер (1775-1836) с юных лет посвятил себя занятиям по математике, физике и химии. Его жажда знаний была столь велика, что четырнадцатилетним мальчиком он проштудировал все 20 томов "энциклопедии" Даламбера и Дидро и в скорости изучил латынь, греческий и итальянский языки для чтения трудов ученых в подлинниках. Сообщение об "электрическом магнетизме" настолько захватило Ампера, что он тут же поставил точнейшие опыты и на очередном заседании 25 сентября доложил разработанные им основные положения электродинамики.
Прежде всего, Ампер установил связь между направлением тока в проводнике и направлением отклонения магнитной стрелки - "правило пловца", или, по-современному, "правило левой руки". Здесь же он показал взаимодействие двух прямых параллельных проводников с током. Продолжая работать над темой, Ампер к 1826 году вывел количественный закон для силы взаимодействия электрических токов, ставший основным законом всей электродинамики. И это лишь малая толика из работ Ампера.
Ампер в те же годы предложил проект стрелочного телеграфа на основе открытия Эрстеда, но его проект был совершенно непрактичным, ибо он, как и Земмеринг, предлагал использовать отдельную проволоку и иметь отдельную стрелку для каждой буквы алфавита или иного знака. Был непрактичен и телеграф Ричи, по сути, повторявший телеграф Ампера и выставленный для обозрения в Эдинбурге в те же годы. Кроме того, в это же время в Европе входил в обиход оптический телеграф француза Шаппа, сыгравший заметную роль в развитии связи в Европе в 19 веке.

- Этапы развития эстетики
- Этапы развития языческой религии
- Этапы развитя речи в младенческом возрасте
- Этапы развитя экономической науки
- Этапы разработки инвестиционной политики, оценка её эффективности
- Этапы разработки инвестиционной стратегии
- Этапы разработки и реализации инвестиционного проекта
- Этапы развития экономической науки
- Этапы развития экономической науки
- Этапы развития экономической науки
- Этапы развития экономической науки
- Этапы развития экономической теории
- Этапы развития экономической теории
- Этапы развития экономической теории. Предмет и метод экономической теории