Тема 4 Развитие электротехники и электромеханики

4.1. Этапы развития электротехники

Несмотря на то, что электрические и магнитные явления наблюдались еще в глубокой древности, история электротехники насчитывает немногим менее двух столетий. Свое начало она ведет с момента создания первого электрохимического генератора (1800 г.). До этого времени были сделаны только первые шаги по созданию простейших электростатических машин и приборов и установлению некоторых закономерностей в области статического электричества и магнетизма. В этот период проходило становление электростатики.

С 1800 по 1830 гг. происходило изучение действия электрического тока: был установлен ряд закономерностей в области электромагнетизма, а также проведены первые опыты по практическому применению электричества. В это время разрабатываются основы электродинамики, закладывается фундамент электротехники.

Второй этап развития электротехники (1831 - 1870 гг.) начался с открытия электромагнитной индукции, а завершился созданием первого электрического генератора.

Третий этап (1870 - 1890 гг.) - с момента внедрения в промышленность электромагнитного генератора постоянного тока вплоть до завершения исследований в области многофазных систем. Это период интенсивного развития электротехники в условиях децентрализованного производства электрической энергии и начало развития электростанций. В это время начинается становление электротехники как самостоятельной отрасли.

Решение проблемы передачи электрической энергии на расстоянии, разработка промышленных типов трансформаторов и асинхронных двигателей создали предпосылки для широкого развития электрификации. С этого времени начинается четвертый этап в развитии электротехники, продолжающийся до настоящего времени.

4.2. Первый генератор электрического тока

Промышленный переворот значительно стимулировал исследования электрических и магнитных явлений.

В 1799 г. итальянским ученым А. Вольта был создан первый электрохимический генератор - вольтов столб [1]. Изучая опыты итальянского анатома Л. Гальвани, обнаружившего сокращение мышц препарированной лягушки при соприкосновении их с двумя разнородными металлами, Вольта не согласился с тем, что это явление вызвано особым, присущим живым организмам, "животным" электричеством. Он утверждал, что лягушка в опытах Гальвани "есть чувствительный электрометр", а источник электричества -контакт двух разнородных металлов.

Однако многочисленные эксперименты показали, что простого контакта металлов недостаточно для получения сколько-нибудь заметного тока. Непрерывный электрический ток может возникнуть лишь в замкнутой электрической цепи, составленной из различных проводников: металлов (которые он называл проводниками первого класса) и жидкостей (названных им проводниками второго класса).

Вольтов столб представлял собой простейшую батарею элементов с одной жидкостью : между парами цинковых (Zn) и медных (Си) дисков прокладывались суконные кусочки, смоченные щелочью или кислотой.

В течение 2-3 лет после создания вольтова столба рядом ученых было разработано несколько модификаций батарей гальванических элементов. При этом эксперименты с этими батареям привели ученых к открытию химических, тепловых, световых и магнитных действий электрического тока.

В 1800 г. впервые был осуществлен электролиз воды, а затем и других жидкостей. В процессе исследований удалось выявить электрическую проводимость и физико-химические свойства различных веществ.

Большое значение для расширения практического понимания электричества сыграло открытие в 1807 г. (X. Дэви) электролитического способа получения щелочных металлов - калия (К) и натрия (Na), ранее неизвестных в чистом виде. А в 1808 г. Дэви таким же способом получил магний, бериллий, стронций, кальций.

Наиболее эффективным проявлением тепловых и световых действий электрического тока была электрическая дуга, открытая академиком В.В. Петровым в 1803 г. В его труде о гальвано-вольтовских опытах впервые указывается на возможность применения электрической дуги для освещения, плавки металлов и восстановления металлов из окислов.

Существенное значение для установления взаимосвязи между различными явлениями природы, и в частности для открытия закона сохранения и превращения энергии, имело открытие явления термоэлектричества (1821 г. Т. Зибек). В течение длительного времени термоэлементы вследствие их крайней неэкономичности применялись лишь для измерения температуры (термоприборы). Только в наши дни достижения полупроводниковой техники позволили разработать более экономичные термоэлементы.

Успехи в области техники электрических измерений позволили в начале 40-х годов установить количественные характеристики теплового действия тока - закон Джоуля-Ленца, открытый в 1841-42гг. независимо друг от друга английским и русским учеными [2].

Особенно важным для развития электротехники оказалось открытие магнитного действия тока. На существующие связи между электричеством и магнетизмом указывали опыты, проводимые еще в XVIII веке (намагничивающие действия молнии). В 1820 г. была опубликована брошюра датского физика Г.Х. Эрстеда, в которой описывались наблюдаемые им отклонения стрелки компаса под действием электрического тока. В том же году было обнаружено (Ф.Д. Араго) явление намагничивания проводника током, а также усиление намагничивающего действия тока при замене проводника спиралью (соленоидом).

Новым важным шагом на пути от качественных наблюдений к определению количественных закономерностей явилось открытие в 1820 г. французскими учеными Ж.Б. Био и Ф. Саварром закона действия тока на магнит.