7.3. Создание первых электромагнитных приборов

Изучение электрических и магнитных явлений привело к учению об электромагнетизме. Английский химик Деви установил, что электрическая дуга отклоняется под действием магнита.

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку.

Французский ученый Араго (1786-1853) в обнаружил намагничивание железных опилок вблизи проводника с током. Он сконструировал электромагнит. Для этого обмотал медной проволокой стеклянную трубку, в которую вдвинул железный стержень. Как только по проводнику пропустили ток, стержень сильно намагничивался, и к нему притянулись железные ключи. При выключении тока ключи падали на стол.

Французский математик и физик Андре Мари Ампер (1775-1831) подробно изучил магнитное поле тока. Результаты своих исследований он обобщил в работе “Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта изданной им в 1826 г. Он впервые ввел термины “сила тока”, “напряжение”, ”кинематика”, а также высказал идею создания амперметра, электромагнитного телеграфа, а в 1829 г. изобрел коммутатор (переключатель).

Первыми электромагнитными приборами были гальванометры. Гальванометр немецкого физика Иоганна Кристина Поггендорфа (1796-1877) состоял из проволочной катушки, внутри которой помещались магнитная стрелка, для количественных отсчетов служила шкала. В дальнейшем он изобрел гальванометр с зеркальной шкалой.

В 1825 г. итальянский физик Леонардо Нобили (1784-1835) изобрел высокочувствительный гальванометр, применив астатическую систему из двух магнитных стрелок с противоположно направленными полюсами.

Немецкий физик Иоганн Швейгер (1779-1867) изобрел электрометр (1808), пружинный гальванометр, электромагнитный мультипликатор (1820).

7.4. Создание электродвигателя и электрогенератора

Английский физик Майкл Фарадей (1791-1867) открыл в 1831 г. явление электромагнитной индукции – возникновение электрического тока в проводнике при изменении магнитного потока, проходящего через контур проводника. Он показал, что все виды электричества (“трения”, “животное”, гальваническое, “термоэлектричество”, “магнитное”) имеют одну и ту же природу и отличаются только количеством и интенсивностью. Для определения “количества электричества”. Фарадей много занимался изучением электролиза и установил основные законы, носящие его имя.

В1831 г. Фарадей создал униполярный двигатель (рис.7.3а). В сосуд с ртутью, заряженный положительно он поместил конец проводника, заряженного отрицательно. К дну сосуда был прикреплен на проволочке тонкий длинный магнит, сохранивший вертикальное положение т.к. удельный вес ртути почти в 2 раза больше, чем железа. При пропускании тока по проводнику незакрепленный магнит вращали вокруг него. При закреплении же магнита проводник вращался вокруг него.

а) б) г)

в) д)

е) ж) з)

Рис. 7.3. Схемы электродвигателей: а – униполярного Фарадея; б – «колесо Барлоу»; в – Якоби; г – Паччинотти; д – Грамма; е – Эдиссона; ж – Гефнера-Альтека; з – трехразрядного Доливо-Добровольского

Фарадей создал один первых прототипов генератора электрического тока. Он поместил между полюсами сильного магнита медный диск, который можно было вращать от руки. При вращении диска в нем возникал электрический ток, шедший от центра к переферии. С помощью металлических проводников, скользящих по диску, в центре и по окружности ток отводили во внешнюю цепь.

Первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен французским изобретателем Ипполитом Пикси (1802-1835) в 1832 г. Это была магнитоэлектрическая машина, состоящая из 2 проволочных катушек, надетых на железные сердечники, которые были обращены к полюсам большого постоянного магнита. Постоянный магнит можно было вращать от руки. При этом в неподвижных обмотках возникал переменный ток. Т.к. в те времена постоянный ток был изучен лучше, то Пикси снабдил свой генератор коммутатором Ампера, позволяющим получать во внешней цепи ток одного направления.

В 1824 г. английский физик и математик Питер Барлоу (1776-1862) сконструировал раннюю модель электрического мотора (колесо Барлоу, рис.7.3б). Звездноподобное колесо помещалось между полюсами магнита. К колесу подводили положительно заряженный конец привода, а к жидкости, в которую оно опускалось, – отрицательный. При пропускании тока колесо вращалось.

В 1834 г. один из первых электрических двигателей был построен русским физиком Б.С. Якоби (1801-1874) в Петербурге. Действие двигателя Якоби основывалось на взаимном притяжении разноименных магнитных полюсов (рис.7.3в). Подвижная группа электромагнитов 1 питалась током непосредственно от гальванической батареи, причем направление тока в этих электромагнитах оставалось неизменным. Подвижная группа электромагнитов 2 была подключена к батарее через коммутатор 3, с помощью которого направление тока в каждом электромагните изменялось 8 раз за один оборот диска 4. При этом полярность электромагнитов соответственно изменялась, и каждый из подвижных электромагнитов поперечно притягивался и отталкивался соответствующим неподвижным электромагнитом, а вал двигателя начинал вращаться. Мощность двигателя составляла всего 15Вт, поэтому Якоби стал совершенствовать его конструкцию с целью повышения мощности машины. Электродвигатель Якоби мощностью порядка 7л.с. был установлен на шлюпку и соединен с гребным валом. Лодка могла плавать по Неве на расстояния до 40км. Но двигатель Якоби не получил распространения, потому что питание от гальванических батарей было невыгодным, т.к. они были в 10 раз дороже паровых машин, занимали много места, имели большой вес, быстро разряжались.

Русский физик Эмиль Христианович Ленц (1804-1865) кроме всего прочего в 1836 г. открыл обратимость электрических машин. Это позволило перейти к созданию машин, которые могли работать как генераторы и электродвигатели.

Применение постоянных магнитов ограничивало возможность увеличения мощности генератора, поэтому при дальнейшем совершенствовании электрических машин постоянные магниты были замененны на электромагниты.

В 1863 г. английский техник Генри Уальд создал машину, состоящую из П-образного электромагнита, обмотка которого питалась током от самостоятельного небольшого магнитоэлектрического генератора, помещавшегося наверху динамомашины. Между полюсами электромагнита вращался вал с обмоткой, в которой индуцировался ток, выпрямляемый с помощью коммутатора.

Немецкий физик, электромеханик и предприниматель Эрнст Вернер Сименс (1816-1892) в 1867 г. разработал электрогенератор с самовозбуждением, в котором ток для питания собственных элетромагнитов машина вырабатывала сама. Для этой цели Сименс использовал явление остаточного магнетизма. Когда якорь машины начинали вращать, то благодаря остаточному магнетизму в обмотке возникал небольшой ток, который направлялся в электромагниты, намагничивая их. Ток в якоре возрастает и еще больше увеличивает магнитное поле электромагнитов. Такие электрические машины называются самовозбуждающимися.

Дальнейшее развитие электрической машины связано с изобретением кольцевого якоря.

Итальянский физик и изобретатель Антонио Пачинотти (1841-1913) в 1859 г. построил электродвигатель с кольцевым зубчатым якорем, а в 1860 г. – двигатель постоянного тока с коллектором, указал на возможность его преобразования в динамомашину постоянного тока. В двигателе Пачинотти обмотки якоря помещались между зубцами стального кольца и включались последовательно с обмоткой электромагнитов (рис.7.3г). При пропускании тока якорь вращался.

Французский изобретатель Зеноб Гримм (1829-1901) в 1876г. создал генератор, который использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, позволяющий устранить пульсацию тока (рис.7.3д).

Американский изобретатель Томас Альва Эдисон находит хороший способ уменьшить нагрев машины. С этой целью якорь набирается из большого числа дисков из листовой стали, изолированных друг от друга и от вал. Эдисон предложил свою схему обмоток, разработал конструкцию коллектора, в котором было устранено искрение и значительно уменьшен износ пластин (рис.7.3е).

Немецкий электротехник Гефнер-Альгенек (1845-1904) изобрел в 1872 г. барабанный якорь электрической машины постоянного тока (рис.7.3ж).

Постепенно электродвигатели постоянного тока стали применять для разнообразных рабочих машин, станков и механизмов.

Происходит переход от группового привода к индивидуальному. У отдельного электропривода большие преимущества:

1. Станки с электродвигателем можно установить в любом месте.

2. Электроэнергия подводится с помощью проводов.

3. В зависимости от потребностей можно применять электродвигатели разной мощности.

Постепенно электродвигатель сросся с машиной и стал неотъемлемой ее частью.