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 электрификации (с 1891 г.)

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 электроники (первая четверть XX в.)

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

1. Аллесандро Вольта и первый электрохимический генератор.

 

2. Электрохимический телеграф.

 

3. В.В. Петров и его открытия.

 

4. Сэр Гемфри Дэви и практическое применение электричества.

 

5. Опыты Г.Х. Эрстеда.

 

6. Первые электроизмерительные приборы.

 

7. Аркюэльское созвездие и электромагнетизм.

 

8. Андре Мари Ампер - основатель электродинамики.

 

9. Георг Симон Ом и первый закон электротехники.

 

10. Первый электромагнит - Стерджен. 
    

 

1. 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". 

2. 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.

 

3. 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 распространению  успехов наших в естественной  философии, если бы любители ее, преодолев посрамляющую их самих  и наукам чрезвычайно вредительную зависть (с позволения и одобрения тех ученых обществ, к главнейшим которых самые предметы имели бы ближайшее отношение), начали, время от времени, письменно сообщать (например, через публичные газеты) охотникам те новые достопримечательные предметы, в исследовании которых сам кто не намерен упражняться либо за недостатком времени и нужных пособий, либо по причине скуки, сопряженной с исследованием оных". 
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.