Введение

Использование одной из главных производительных сил – электрической энергии – находит всё большее применение в промышленности и аграрном секторе хозяйства. Это стало возможным благодаря основополагающим открытиям российских и зарубежных учёных.

Во второй половине ХVIII века академиками Петербургской академии наук М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом был впервые построен прибор для количественной оценки электрического заряда. Разработка новых материалов позволила итальянскому физику А. Вольта в 1800 году создать химический источник тока. Академик Петербургской академии наук В.В. Петров в 1802 г. открыл электрическую дугу и указал возможные области её применения. В1820 г. французский учёный А. Ампер открыл закон взаимодействия проводников, по которым течёт ток, а немецкий физик Т.Н. Зеебек описал явление непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую, т.е. термоэлектричество. Немецкий учёный Г.С. Ом нашёл важное соотношение между силой тока I, падением напряжения U и сопротивлением проводника R. В 1831 г. английским физиком М. Фарадеем был открыт закон об электромагнитной индукции, и академиком Петербургской академии наук Э.Х. Ленцем в 1833 г. установлено правило, по которому определяется направление индукционных токов. В 1838 г. российский физик Б.С. Якоби впервые построил электродвигатель и указал некоторые области его применения. В 1847 г. немецкий физик Г.Р. Кирхгоф сформулировал правила для разветвлённых электрических цепей.

Необходимо подчеркнуть, что значительный прогресс науки и техники происходит благодаря развитию электроники – науки о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов. До открытия электронов атом считали основой структуры материального мира. Электрический ток рассматривали как “жидкую субстанцию, текущую по проводам”. Так, американский учёный Б. Франклин к 1853 г. разработал общую “унитарную теорию электрических явлений”, происходившую из предположения о существовании единой электрической субстанции, недостаток или избыток которой обуславливает знак заряда тела. Он же предложил эффективный метод защиты от грозового разряда – молниеотвод. О дискретном строении электричества впервые в 1856 г. немецкий физик В.А. Вебер указывал, что “с каждым весовым атомом связан электрический атом”. Позднее в 1891 г. Г. Стоней предложил называть атом электричества с элементарным зарядом 1,6∙10^-19Кл. – электроном. Только к 1897 г. английский физик Д.Д. Томсон измерил отношение заряда электрона к его массе (9,106∙10^-28г.) и пришёл к выводу о существовании частиц гораздо меньших, чем атомы. Открытие электрона опровергло гипотезу о неделимости атома и привело к развитию науки – электроники.

Особенно важным событием явилось открытие российским учёным Д.И. Менделеевым в 1871 г. Периодической системы элементов – П.с.э., важной вехой на пути развития которой явилась предложенная английским физиком Э. Резерфордом в 1911 г. планетарная модель атома. В основе теории П.с.э. лежит представление о специфических закономерностях построения электронных оболочек (слоёв, уровней) и подоболочек (оболочек, подуровней) в атомах по мере роста их атомного веса. Это представление было развито датским физиком Н.Х. Бором в 1923 г. С учётом характера изменения свойств химических элементов П.с.э. явилась фундаментом, в первую очередь, неорганической химии. Она помогает решению задач синтеза веществ с заранее заданными свойствами. Это способствовало разработке новых материалов, в частности полупроводниковых, подбору специальных катализаторов для различных химических процессов.

В конце XIX и начале ХХ века большой вклад в развитие электротехники внесли американский учёный Т.А.Эдисон и югославский физик и электротехник Н.Тесла.

Изобретение в 1895 г. российским физиком и электротехником А.С. Поповым радио открыло новую эру в развитии науки и техники. Хорошо понимая потребность военного флота в средствах беспроводной сигнализации его прибор в реальных корабельных условиях к 1901 г. получил дальность связи 150 км. Итальянский радиотехник и предприниматель Г. Маркони, используя большие материальные возможности, получил в 1897 г. английский патент на принцип действия и конструкцию приборов, по способу действия и схеме радиоприёмника тождественных приборам Н.Тесла и А.С. Попова. В дальнейшем к концу 1901 г. на усовершенствованных приборах Г. Маркони осуществил радиосвязь через Атлантический океан.

Разработка электронных приборов началась с изобретением в 1904 г. Д. Флемингом двухэлектродной лампы с накалённым катодом-диода. Под руководством Н.А. Папалекси и М.А. Бонч-Бруевича до 1935 г. был создан целый ряд многосеточных электронных ламп. Дальнейший прогресс связан с работами американских учёных Д. Бардина, У. Браттайна и У. Шокли, приведшими к изобретению германиевого точечного транзистора. В 60-х годах XX века были созданы интегральные системы (ИС), в которых элементы получают в нераздельном технологическом процессе. В течение следующего десятилетия перешли к производству больших интегральных микросхем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС), содержащих до 10⁶ элементов размером до 3 мкм на полупроводниковом кристалле.

В настоящее время и в перспективе отмечается бурное развитие функциональной электроники, которая основывается на физических явлениях в твёрдом теле без применения базовых элементов (резисторов, транзисторов и т.п.).

При этом используются оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие акустических волн в твёрдом теле с потоком электронов (акустоэлектроника) и др. Дальнейшее бурное развитие получает новое направление – наноэлектроника, позволяющая управлять атомами, размещая их в точно определённом месте атомной структуры различных материалов.

Особо отмечают в XX веке развитие квантовой электроники, занимающейся исследованием устройств, действие которой основано на вынужденом излучении фотонов атомами, ионами и молекулами. Ещё в 1900 г. немецкий физик М.Л. Планк показал, что свет излучается не непрерывно, а отдельными порциями – квантами, которые впоследствии получили название фотонов. В 1964 г. советские учёные Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и американский физик Ч.Х. Таунс получили Нобелевскую премию за разработку мазеров, позволяющих усиливать электромагнитные волны сантиметрового диапазона вынужденного (когерентного) излучения. В 1960 г. американский физик Т.Г. Мейман создал лазер, который являлся источником электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Употребляется также термин “оптический квантовый генератор” – ОКГ. В качестве активной среды ОКГ применяют твёрдые, жидкие и газообразные вещества с внешним воздействием (накачкой) от непрерывного или импульсного источника. Одним из перспективных направлений явилась разработка полупроводниковых лазеров с двойной гетероструктурой (ДГС-лазеров) советским физиком Ж.И. Алфёровым, удостоенным Нобелевской премии в 2001 г. Их отличительными особенностями являются высокий КПД, удобство возбуждения и малые габариты.

С каждым годом открываются новые области применения различных типов лазеров в военной технике, на флоте, в связи, в медицине и в быту.

Необходимо отметить большой прогресс в теории сверхпроводящих сплавов и свойств сверхпроводников в сильных магнитных полях (1957 – 1970 г.), а также в физике сверхпроводников, начиная с 1977 г. За основополагающий вклад в теорию сверхпроводимости российские физики А.А. Абрикосов и В.Л. Гинзбург в 2003 г. были удостоены Нобелевской премии.

При проектировании, монтаже и эксплуатации электрооборудования судового и другого назначения требуется комплекс знаний в области конструкционных и электротехнических материалов. Это связано с особыми условиями эксплуатации судового электрооборудования с высокой степенью влажности, широким диапазоном изменения температуры, давления, вибрации. Предъявляются жёсткие требования в отношении надёжности действия, пожарной безопасности, к снижению стоимости. Выбор электротехнических материалов для электрооборудования и приборов возможен только после глубокого анализа основных требований к материалам в реальных эксплуатационных условиях в строгом соответствии с Речным Регистром, который является органом, осуществляющим технический надзор за всеми морскими и речными судами независимо от их ведомственной принадлежности [9]. Он издаёт Правила, касающиеся постройки и оборудования судов, использования материалов в судостроении.

Развитие морского и речного флота связано с комплексной автоматизацией электрифицированных судов. Для этого применяют новые электротехнические материалы, в основном из органических полимеров, монокристаллов различных веществ.

В последние годы открыты новые виды магнитных, диэлектрических, проводниковых и полупроводниковых материалов, обладающих малоизученными свойствами. На основе этих материалов могут быть изготовлены: принципиально новые электротехнические устройства; многочисленные полупроводниковые приборы; разнообразные нелинейные конденсаторы и резисторы с параметрами, регулируемыми бесконтактными способами; различные сегнетоэлектрические, пьезоэлектрические и пироэлектрические устройства; выпрямители, усилители, стабилизаторы напряжения, преобразователи энергии, запоминающие ячейки; электретные и фотоэлектретные устройства; жидкие кристаллы; термоэлектрические генераторы с высоким КПД; аппаратура голографии и многие другие аппараты и приборы новой техники.

Для изготовления электротехнических материалов используются разнообразные приёмы химического синтеза, различные виды обработки, включая искусственное выращивание монокристаллов, нанесение тонких плёнок на различные подложки, а также ионно-плазменная обработка, воздействие на материалы электромагнитного поля и ионизирующих излучений.

Всё вышеуказанное подчёркивает важность повышения надёжности электрооборудования электроэнергетических систем мобильных и стационарных объектов на основе новых материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.