История энергетики

Введение.

Электрическая энергия долгое время была лишь объектом экспериментов  и не имела практического применения. Первые попытки полезного использования  электричества были предприняты  во второй половине XIX века, основными  направлениями использования были недавно изобретённый телеграф, гальванотехника, военная техника (например были попытки создания судов и самоходных машин с электрическими двигателями; разрабатывались мины с электрическим взрывателем). Источниками электричества поначалу служили гальванические элементы. Существенным прорывом в массовом распространении электроэнергии стало изобретение электромашинных источников электрической энергии — генераторов. По сравнению с гальваническими элементами, генераторы обладали бо́льшей мощностью и ресурсом полезного использования, были существенно дешевле и позволяли произвольно задавать параметры вырабатываемого тока. Именно с появлением генераторов стали появляться первые электрические станции и сети (до того источники энергии были непосредственно в местах её потребления) — электроэнергетика становилась отдельной отраслью промышленности. Первой в истории линией электропередачи (в современном понимании) стала линия Лауфен — Франкфурт, заработавшая в 1891 году. Протяжённость линии составляла 170 км, напряжение 28,3 кВ, передаваемая мощность 220 кВт. В то время электрическая энергия использовалась в основном для освещения в крупных городах. Электрические компании состояли в серьёзной конкуренции с газовыми: электрическое освещение превосходило газовое по ряду технических параметров, но было в то время существенно дороже. С усовершенствованием электротехнического оборудования и увеличением КПД генераторов, стоимость электрической энергии снижалась, и в конце концов электрическое освещение полностью вытеснило газовое. Попутно появлялись новые сферы применения электрической энергии: совершенствовались электрические подъёмники, насосы и электродвигатели. Важным этапом стало изобретение электрического трамвая: трамвайные системы являлись крупными потребителями электрической энергии и стимулировали наращивание мощностей электрических станций. Во многих городах первые электрические станции строились вместе с трамвайными системами.

Начало XX века было отмечено так называемой «войной токов» —  противостоянием промышленных производителей постоянного и переменного токов. Постоянный и переменный ток имели  как достоинства, так и недостатки в использовании. Решающим фактором стала возможность передачи на большие  расстояния — передача переменного  тока реализовывалась проще и  дешевле, что обусловило его победу в этой «войне»: в настоящее время  переменный ток используется почти  повсеместно.

Наука в каждый рассматриваемый  момент времени представляет собой  итог – совокупность знаний о природе, обществе, мышлении, накопленных в  ходе общественно-исторической жизни  людей.

Цель науки – вскрывать  объективные законы явлений, давать им объяснение.

Задачи науки – найти и исследовать объективные законы, скрытые от поверхностного взгляда, и вооружить знанием этих законов людей для их практической деятельности.

Прогноз дальнейшего –  ведущая роль в дальнейшем познании природы принадлежит синтезу  знаний, интеграции наук, в центре которых  будет находиться человек.

Наука – многоаспектный, многогранный и сложно устроенный феномен. Наука – это и экспериментальные средства, необходимые для изучения явлений – в их число входят приборы и установки, с помощью которых эти явления фиксируются и воспроизводятся; это и методы, посредством которых выделяются и познаются предметы исследования; это и люди, занятые научными исследованиями; это и системы знаний, зафиксированные с помощью текстов и т. п.

Общей основой перечисленных  явлений служит технология человеческой деятельности по производству знаний, то есть наука – это определенная человеческая деятельность, которая  направлена на получение знаний.

Развитие науки и техники  всегда происходит в конкретных исторических и культурных условиях, определяемых прежде всего производительными силами общества, способом производства. Достижения науки и технический прогресс одновременно с этим способствуют эволюции общества, генерируя и определяя уровень производительных сил.

Глава 1.Основоположники электроэнергетики.

Сначала наука многое взяла  у мастеров – инженеров эпохи  Возрождения, затем, в XIX-XX в.в. инженерная деятельность стала строиться уже  в соответствии с наукой. Специализация и профессионализация науки и техники привели к технизации науки и гуманизации техники.

Вся история человечества показывает, что наука развивается  под влиянием практических потребностей и, в первую очередь, потребностей производства. Однако потребности производства не определяют всей сложной динамики формирования знаний, создания новых идей, теорий, выводов. Здесь действуют свои собственные  законы. Например, история развития естественных наук дает много примеров научных открытий, которые не порождались  непосредственно запросами жизни:

• открытие электричества,

• дифракции,

• магнетизма,

• поляризации,

• периодической системы  элементов и многое другое.

Научные фантасты, художники, писатели иногда способны вторгнуться  в неведомое будущее и разглядеть контуры грядущих веков. Приведем этому  несколько примеров.

Англичанин Роджер Бэкон  в XIII в. (примерно 1240-е гг.) занимался языками, математикой, астрономией, физикой, химией и сделал многочисленные важные открытия. Он писал о колесницах, двигающихся с невероятной быстротой без помощи животных, о летающих машинах, о свойствах вогнутых и выпуклых стекол для глаз (очки), создал теорию телескопа и многое другое. Один из величайших умов человечества!

В XVI веке (1560-е гг.) Френсис  Бэкон (однофамилец Роджера) – создал одно из блестящих творений человеческого  разума – произведение «Новая Атлантида», в котором он изложил проект государственной  организации науки, описал основы логики обновления науки, указал на возможность  полезного применения наблюдаемых  в природе явлений, предсказал создание подводных лодок, самолетов, кино, радио, телевидения, бионики, термоядерного  реактора и многое другое.

В романе русского фантаста Н. Шелонского «В мире будущего» (1892 г.) идет речь о превращениях элементов, о синтетических материалах, о передаче мыслей на расстоянии, об антигравитации и многом другом.

А. Толстой в произведении «Гиперболоид инженера Гарина» подробно описал проект лазера.

Рассказ И. Ефремова «Тени  минувшего» (1945 г.) натолкнул ученого  Ю. Денисюка на открытие объемной голографии.

Из 86 предсказаний писателя-фантаста Г. Уэллса сбылось более 30-ти, а у  фантастов Жюля Верна и А. Беляева сбылось 90 % прогнозов.

Далее рассмотрим некоторые  законы развития науки. Первый закон. Он называется законом относительной  самостоятельности развития науки.

Такая относительная самостоятельность  включает в себя внутреннюю логику развития, потребность в систематизации знаний, борьбу мнений, взаимное влияние  наук, взаимодействие с разными формами  общественного сознания, преемственность  идей и т. п. – то есть все те факторы, от которых, если не считать потребности  производства (или бытовые), зависит  развитие науки.

Второй закон. Следующий  закон отражает такие явления, как  критика и борьба мнений в науке. То есть развитие науки происходит на основе борьбы новых и старых идей. Без учета эмоциональных  дискуссий нового знания со старым, без правильного понимания традиций в науке невозможно понять прогресс науки в целом. История науки  есть история смены различных  теорий и их борьбы. Неполнота, несовершенство знаний неизбежно приводит к тому, что один и тот же ряд наблюдаемых  фактов получает разное объяснение у  разных ученых, они видят эти факты  как бы с различных ракурсов. Это  зависит от различия взглядов, склада мышления, дарования и т. п. Однако с течением времени наука неизбежно  приходит к единому взгляду на них.

Третий закон. Этот закон  выражает взаимодействие наук и имеет  сейчас особенно важное значение для понимания происходящих процессов научно-технического прогресса. Наука представляет собой единое целое. Существующее разделение науки на отдельные области обусловлено различием природы вещей и закономерностей, которым эти вещи подчиняются в процессе движения и развития. Различные области науки развиваются, взаимодействуя друг с другом разными путями:

• через использование  знаний, полученных другими науками;

• посредством использования  методов изучения других наук;

• через технику и производство;

• через изучение общих  свойств различных видов материи.

Четвертый закон характеризует  процесс математизации практически  всех научных дисциплин. Математика проникает сейчас даже в такие  области знания как история, лингвистика, биология и др. С помощью ЭВМ  расшифровываются древние рукописи Майя и т. п. Во многих разделах физики, астрономии – математика является незаменимым аппаратом.

Пятый закон относится  к дифференциации и интеграции наук, которые неизменно присутствуют в развитии современного естествознания. Процесс дифференциации – перерождение различных ветвей науки в самостоятельные  научные дисциплины. Вместе с тем  этот процесс сопряжен с процессом  интеграции, связывающим разные отрасли  естествознания, так как наблюдается  бурное развитие пограничных наук: генная инженерия, молекулярная геология, биогеохимия, инженерная психология и  др.

Шестой закон – преемственность  в науке. Наука представляет собой  продукт деятельности многих поколений. Ее объективное содержание не ликвидируется  вместе с ликвидацией общественного  строя, а развивается и накапливается  на протяжении всей истории человечества. Использование и развитие знаний, накопленных предыдущими поколениями, то есть преемственность, представляет собой объективный закон развития науки. Без него просто невозможно никакое  развитие!

Седьмой закон, открытый Ф. Энгельсом, – ускоренное развитие науки –  действует и сейчас. Достижения XIX века во много раз превосходят  достижения XVIII века, а достижения XX века (даже второй его половины) превосходят  достижения предыдущих времен.

Восьмой закон свидетельствует  о неизбежности научных революций. Анализ истории развития естествознания показывает, что оно развивалось  очень неравномерно. Периоды относительной  стабильности, постепенного накопления знаний неизбежно с течением времени  сменялись более кратковременными периодами революций, когда происходит коренная ломка теоретических представлений, считавшихся ранее незыблемыми.

Девятый закон описывает  усиление связи науки с производством, что в итоге привело к пониманию  науки как одного из важнейших  элементов производительных сил. В  результате возникла техногеная цивилизация, на смену которой идет антропогенная цивилизация или постиндустриальное общество.

Наука есть создание жизни. Из окружающей жизни научная мысль  человека берет приводимый в форме  научной истины материал. Наука есть проявление действия в человеческом обществе совокупной человеческой мысли.

Материальная жизнь человечества связана с двумя основными  началами – веществом и энергией. Поэтому все техническое творчеcтво человека на всех этапах развития общества сводилось, по существу, к видоизменениям и превращениям как вещества, так и энергии.

Энергия (гр. energeia – деятельность) – способность тел (существ) совершать работу. Это действие, общая количественная мера различных форм движения материи. Энергия связывает воедино все явления природы.

Энергетика, энергетическая наука – это наука о закономерностях  процессов и явлений, прямо или  косвенно связанных с получением, преобразованием, передачей, распределением и использованием различных видов  энергии.

Электроэнергетика в целом  рассматривается как сложное  техническое образование, тесно  взаимодействующее с топливным  хозяйством и основными отраслями  добывающей и перерабатывающей промышленности, транспортом, сельским хозяйством и  т. п.

Электрическая энергия является вторичной энергией и не заменяет первичную, например, тепловую, гидравлическую, ветровую, термоядерную, солнечную, приливную, ядерную, но в то же время стимулирует их развитие.

Электроэнергетика – это  ведущая отрасль энергетики. Применение электричества, использование электрической  энергии – одно из величайших открытий и достижений XIX века. Этому предшествовали усилия многих и многих людей. Сейчас электрическая энергия является самым удобным видом энергии.

Энергетической системой электроэнергетики называют совокупность электрических станций, электрических  и тепловых сетей, соединённых между  собой и связанных общностью  режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения  электрической энергии и теплоты  при общем управлении этим режимом.

Энергетика является определяющим фактором и для экономики, и для  экологии. От нее зависит экономический  потенциал государства и благосостояние людей. Она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду, экосистемы и биосферу в целом.

Наша планета наполнена  энергиями, которые взаимодействуют  с ней, с человеком на ее поверхности, с Космосом. Все – энергия! Дух  – энергия, материя – энергия, мельчайший атом – энергия.

Глава 2.История открытия электричества

Каждое поколение застает  технику на том уровне, до которого она была доведена в предыдущий период, дополняет ее своими открытиями, изобретениями, устройствами, а затем передает следующему поколению.

Применение электричества  и использование электроэнергии было великим открытием XIX века. Следует  заметить, что электрическая энергия  является вторичной энергией и не заменяет первичную (тепловую, гидравлическую, водяную и др.), но стимулирует  развитие первичной энергии, а для  ее передачи и распределения –  самой удобной признана именно электрическая  энергия. Электричество является очень  концентрированной энергией:

1 кВт.ч = 1000 Дж/с ? 3600 с = 3600000 Дж;

1 кВт.ч = 102 кг.м/с ? 3600 с = 367000 кг.м – это эквивалентно поднятию 367 т груза на высоту 1 метр.

Развитие электроэнергетики  носит интернациональный характер. В этом мы убеждаемся на протяжении всей истории ее развития. В создании энергетики и ее внедрении принимали  и принимают посильное участие  люди самых разных национальностей, разных стран, разных классов.

Например, первые открытия, научные и практические разработки, законы в электроэнергетике являлись вкладом итальянцев, англичан, русских, французов, американцев, венгров, бельгийцев, югославов, датчан и др. В этом можно  убедиться, рассматривая историю развития электроэнергетики.

Широкое и разнообразное  применение электроэнергии во всех областях народного хозяйства и быта объясняется  рядом весьма существенных преимуществ  ее по сравнению с другими формами  энергии, а именно: 1) возможностью экономичной  передачи на значительные расстояния; 2) простотой преобразования в другие формы энергии (тепловую, механическую, световую, химическую и др.); 3) простотой  распределения любой мощности (от многих киловатт до микроватт) между  любым числом потребителей.

Большое значение имеет возможность  использования для производства электроэнергии местных видов топлива (угля, торфа, сланца), энергии рек, водопадов, приливов, солнечной энергии и  энергии ветра, геотермальной, атомной  и др.

Однако, и раньше, и в  настоящее время существуют многочисленные проблемы электроэнергетики:

• создание экономичных конструктивных источников электричества – генераторов, электродвигателей, трансформаторов, фабрик электричества (электростанций), электрических линий передач (ЛЭП), подстанций, распределительных устройств;
• прокладка проводников, кабелей, их защита;
• изоляция токоведущих проводов, частей устройств;
• методы расчета электросетей, их защита от коротких замыканий;
• другие вопросы, которые решались и решаются учеными, инженерами, практиками, изобретателями.

Глава 3. 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 в начале 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.

Параллельно с М.В. Ломоносовым  проводил опыты с «небесным электричеством»  в Америке Б. Франклин  ученый, поэт, дипломат, который внес большой  вклад в изучение электрических  явлений и в 1752 г. изобрел громоотвод (вернее бы его назвать молниеотвод).

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) (рис. 20), заведующий кафедрой анатомии, в 1791 г. опубликовал труд ”Трактат о силах электричества при мышечном движении”.

Это открытие через 121 год  дало толчок исследованиям человеческого  организма с помощью биоэлектрических токов. Обнаруживались больные органы при исследовании их электрических  сигналов. Работа любого органа (сердца, мозга) сопровождается биологическими электрическими сигналами, имеющими для  каждого органа свою форму. Если орган  заболевает, сигналы изменяют свою форму, и при сравнении «здоровых» и «больных» сигналов обнаруживаются причины заболевания.Опыты Гальвани натолкнули на изобретение нового источника электричества профессора Тессинского университета Алессандро Вольта (1745-1827) (рис. 21).

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.

Набирая следовательно большое количество таких элементов, Вольта получал электрохимический источник электричества напряжением до 2 кВ. Этого было уже достаточно для исследования электричества, получения электрической дуги, электродуговой свечи, сваривания металлов и т.п. А. Вольта в это время было 56 лет. Наполеон за это открытие вручил ему в 1801 г. Большую Золотую медаль. Батарейки, которыми мы сейчас пользуемся в часах, приемниках и др. – это те же, но усовершенствованные, вольтовы столбики – гальванические элементы.

Глава 4. Начальный период использования электричества.

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.