5 История электричества

5 лекция на тему:

Развитие электромагнитной теории и электротехники

Первые наблюдения явлений, известных под названием электричества и магнетизма, относятся ко времени античности и были произведены народами, живущими в бассейне Средиземного моря, особенно греками. Началось с обнаружения свойства натертого янтаря притягивать легкие предметы. Кроме того, в древнем мире наблюдали явления атмосферных разрядов и анестезирующее действие некоторых видов рыб при соприкосновении их с человеческим телом. Но представлений о том, что в этом проявляются электрические явления, не возникало.

Сам термин «электричество» появился на рубеже XVI и XVII веков, а затем постепенно наполнялся содержанием. Начиная с XVIII века, происходит более быстрое накопление знаний, но только в XIX веке электричество стало служить человеку.

Переломный момент в истории электричества произошел в 1600 г., когда вышел в свет замечательный труд английского естествоиспытателя Уильяма Гильберта «De Magnete», представляющий собой один из первых научных трактатов, написанных на основе экспериментов. До этого считалось, что электрические силы присущи только янтарю и одной из разновидности турмалина – линкуриону, а магнитные только железу. Гильберт экспериментально доказал, что электризация при трении обнаруживается у многих веществ – стекла, смолы, минералов и пр., а Земля является огромным магнитом, хотя и не состоит из одного только железа. Гильберт ввел понятие «vis electrica» («сила янтаря»), т.е. электрической силы. С XVIII века производный термин «electricitas» стал широко применяться. В русской научной литературе в XVIII веке получил распространение термин «электричество».

Мушенбрук обратил внимание на различный характер электризации стекла и янтаря, что способствовало открытию в 1733 году Шарлем Франсуа Дюфе «смоляного» и «стекольного» электричества (положительного и отрицательного, согласно терминологии Бенджамина Франклина). К числу наиболее известных достижений Мушенбрука принадлежит лейденская банка – первый конденсатор, изобретенный им в 1745 году. При этом он создал первый прообраз его внешней обкладки (в первых опытах в ее качестве использовалась рука экспериментатора, державшего банку). Мушенбрук обратил внимание на физиологическое действие разряда, сравнив его с ударом ската (ученому принадлежало первое использование термина «электрическая рыба»), провел опыты для проверки своих предположений. При этом он отрицал электрическую природу молнии, пересмотрев свои взгляды лишь после знаменитых опытов Франклина.

Франклин объяснил принцип действия лейденской банки, установив, что главную роль в ней играет диэлектрик, разделяющий проводящие обкладки; ввел общепринятое теперь обозначение электрически заряженных состояний "+" и "-"; разработал общую "унитарную" теорию электрических явлений, исходившую из предположения о существовании единой электрической субстанции, недостаток или избыток которой обусловливает знак заряда тела. Большая заслуга Франклина – установление тождества атмосферного и получаемого с помощью трения электричества и доказательство электрической природы молнии. Обнаружив, что металлические острия, соединённые с землёй, снимают электрические заряды с заряженных тел даже без соприкосновения с ними, Франклин предложил эффективный метод защиты от грозового разряда – молниеотвод.

Франклину принадлежит также ряд других технических изобретений: лампы для уличных фонарей, экономичная "франклиновская" печь, особый музыкальный инструмент, "электрическое колесо", вращающееся под действием электростатических сил, применение электрической искры для взрыва пороха и др.

Сущность электрических и магнитных явлений и связи между ними тогда не знали. Гильберт считал эти явления совершенно различными, и этот взгляд главенствовал до середины XVIII века, когда, благодаря трудам члена Петербургской АН Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724–1802), было положено начало новым взглядам: наука обогатилась представлениями о сходстве электрических и магнитных явлений. Вплоть до конца XVIII века ученые занимались только изучением статического электричества и его применением в практических целях: для лечебных целей, для взрыва пороха от искр при разряде и для передачи зарядов на расстояние – первой попыткой создания электрического телеграфа.

В течение XVIII века накопился большой опытный материал о статическом электричестве. Было установлено, существование проводников и непроводников электричества, доказано существование двух его родов – положительного (стеклянного) и отрицательного (смоляного). Удалось найти более совершенные методы получения значительных статических зарядов с помощью машин, изобрести способы их накопления при помощи лейденских банок и конденсаторов. Было обнаружено явление электростатической индукции. В конце XVIII века Кулон установил и количественную характеристику взаимодействия зарядов (закон Кулона).

Хотя все эти достижения еще не предвещали широкого применения электричества для практических целей, они имели существенное значение. Были созданы первые теории электричества, усовершенствована методика эксперимента, разработан ряд приборов.

В результате процесса изучения электрического тока, электротехника в последней трети XIX века стала важной самостоятельной отраслью науки и техники и оказала революционизирующее влияние на всю технику в целом, а в связи с этим и на все развитие производительных сил общества.

Разнообразные применения электрической энергии можно разделить на две группы:

– в первой электрическая энергия используется в значительных количествах с целью ее превращения в другие виды энергии: механическую (привод, тяга), световую (освещение), тепловую (термические процессы, отопление), химическую (электролиз) и т.п.

– ко второй группе относятся такие применения электрической энергии, при которых, хотя и происходят ее превращения в другие виды энергии, но они не являются целью. Здесь используются электрические импульсы или малые токи для воздействия на какие-либо индикаторы или приемники (телеграф, телефон, приборы управления или регулирования и т.д.).

В последнее десятилетие XVIII века внимание ученых обратилось к новым электрическим явлениям, обнаруженных Л. Гальвани и развитых Алессандро Вольта. Был найден новый вид электричества, который считали отличным от статического – электрический ток. В 1800 году Вольта, анализируя опыты и выводы Гальвани, приходит к построению первых генераторов электрического тока. Это Вольтов столб и чашечная батарея. Начался первый период электротехники – период изучения гальванического тока. Попытки его применения показали, что электрический ток может дать для практики то, что не способны дать другие области физики.

Основные периоды развития электротехники

Первый период развития электротехники (1800 – 1831 гг.) был сравнительно малоплодотворным для практики, но весьма богатым для изучения свойств электричества и потенциальных возможностей его практического применения.

В 1800 г. Карлейль и Никольсон разложили с помощью тока воду на водород и кислород. У. Крейкшенк показал в том же году, что и соли различных металлов также разлагаются током. В 1801 г. У. Х. Вулстен опытным путем доказал идентичность тока, получаемого от вольтова столба с теми зарядами, которые получаются при явлениях статического электричества. Были обнаружены тепловые действия тока – нагревание проводника. В 1802 выдающийся физик В. В. Петров, построив громадный вольтов столб из 4 200 медных и цинковых кружочков, дававший напряжение 1 700 В, получил устойчивую электрическую дугу между угольными электродами. Тогда же он обнаружил и явление тлеющего разряда при прохождении электрического тока через разреженные газы.

В. Риттер в 1803 г. обнаружил возможность аккумулирования энергии гальванического тока. В 1807–1808 гг. Х. Дэви произвел электролиз многих металлических солей и получил металлы в чистом виде (натрий, калий, кальций, стронций, магний, барий, бор). Петров, производя электролиз жиров и масел, обнаружил изоляционные свойства этих веществ.

Первая половина XIX века время триумфального развития промышленного переворота. Машинная индустрия, основанная на паровом двигателе, как источнике энергии, охватывала все новые и новые отрасли промышленности. На смену гужевому транспорту пришли железные дороги и паровые автомобили и тракторы, паровые машины на водном транспорте вытесняли паруса и весла.

Но появилась необходимость и в применении электрической энергии. Она основывалась на свойстве тока почти мгновенно распространяться на большие расстояния, что можно было использовать для создания электрической проводной связи. Вторым важным свойством была способность тока разлагать жидкости на составные части.

На этой основе Земмеринг построил электролитический телеграф, индикатором в котором служили пузырьки газа, образуемого при разложении жидкости током. Для практики этот телеграф оказался непригоден, однако он пробудил общий интерес к этому виду связи.

Второе применение – гальванический способ подрыва мин на расстоянии. В 1812 г. в Петербурге на Неве, а в 1815 г. в Париже на Сене Павел Львович Шиллинг демонстрировал методы гальванического взрыва подводных мин.

Существенные перемены в первом периоде развития электротехники оказались возможными в связи с открытием Эрстедом в 1819 г. электромагнетизма, т.е. действия тока на магнит. Опыты Эрстеда, продолженные и развитые Араго, Ампером и др., привели к созданию соленоида, мультипликатора, электромагнита и гальванометра. Опытами Барлоу, Фарадея и Генри была показана возможность превращения электрической и магнитной энергии в механическую, т.е. возможность создания электродвигателя.

В целом, в первом периоде только нащупывались пути применения гальванизма и электромагнетизма. Тормозом являлось то, что источники тока – вольтов столб и батареи элементов были пригодны только для лабораторных испытаний, т.е. маломощны и ненадежны в эксплуатации. Открытие в 1821 г. Зеебеком термоэлектричества также не обеспечило создание пригодных для практики генераторов. В связи с этим в первой трети XIX века развивалось только то направление электротехники, которое довольствовалось малыми или импульсными токами.

В первый период Ампер разработал многие вопросы взаимодействия токов, обобщенные в опубликованной в 1826–1827 гг. теории электродинамических явлений; начал свои эксперименты, в области индукции Фарадей, Георг Ом опубликовал трактат, посвященный закономерностям простых гальванических цепей. Био, Савар и Лаплас дали математическое выражение для силы взаимодействия между токами и магнитами, а Ампер для силы взаимодействия между токами.

В 1826 г. Георг Ом экспериментальным путем открыл основной закон электрической цепи и ввел понятие сопротивление. Он также научился вычислять сопротивление металлических проводников. Ученый мир поначалу не воспринял закон Ома. Первыми его признали русские физики Ленц и Якоби. И только в 1842 г. к Ому пришло признание – Лондонское Королевское общество наградило его золотой медалью.

Таким образом, в первом периоде развития электротехники (1800 –1831 гг.) были созданы предпосылки для ее развития, для последующих применений электрического тока.

Второй период развития электротехники (1831 – 1867 гг.) начинается с выдающегося открытия Майкла Фарадея – открытия электромагнитной индукции. Поэтому второй период можно назвать фарадеевским. До открытия способа превращать магнетизм в электричество применение последнего не выходило за пределы опытов и научных развлечений. Вся современная электротехника, основанная на применении больших токов имеет своим истоком открытие Фарадея.

Однако в этот период, независимо от открытия Фарадея развивалась и те области электротехники, для которых было достаточно импульсов или малых токов. В 1828–1932 гг. Шиллинг создал пригодный для практики электромагнитный телеграф, использовав в качестве индикатора переданных по определенному коду импульсов мультипликатор. Этим он открыл путь многим ученым в этой области, таким как Якоби, Морзе, Уитстон и др. Телеграфия в 1840-е гг. стала основной областью применения электрического тока. К концу 1860-х гг. Европа и Северная Америка были покрыты густой сетью телеграфных линий. Что касается подводных линий, то сначала они были проложены через реки, а в 1850 г. был проложен кабель через Ламанш, правда только через год удалось добиться хорошей связи. В 1856 г. была образована Атлантическая телеграфная компания для устройства телеграфной связи между Англией и США. Кроме огромных средств к ее работе были привлечены крупные научные силы во главе с У. Томсоном (лорд Кельвин). Длина этой линии составляла 3 600 км. В 1866 г. после десяти лет тяжелых трудов и устранения многочисленных аварий и неполадок была, наконец, установлена связь между Европой и Америкой.

Развитие телеграфа сыграло важную роль в разработке и установлении системы международных электрических единиц, способствовало возникновении и совершенствованию электрометрии и построению измерительных приборов.

Создание электродвигателя также могло основываться только на электромагнитном принципе. По этому пути и пошли изобретатели, создавшие электромоторы с постоянными магнитами. Однако для них необходимы были надежные источники тока, которыми не могли служить батареи гальванических элементов.

Академик Якоби в 1838 г. изобрел гальванопластику, на основе которой стала развиваться еще более широкая область применения электричества – гальваностегия.

В это время велись опыты и в области использования тока в электротермических процессах. Джоуль в 1841 г. и независимо от него в 1842 г. Ленц открыли закон выделения теплоты при прохождении тока.

Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) определил механический эквивалент тепла.

Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) сформулировал правило по которому наведенный ток всегда направлен так, что его магнитное поле противодействует процессам, вызывающим индукцию.

Но наибольший интерес во втором периоде развития электротехники, после телеграфии, вызывало электрическое освещение. Здесь уже были созданы основные типы дуговых ламп, и множество ламп накаливания.

Для всего этого нужен был надежный источник дешевой электроэнергии. Таким стал электромашинный генератор, основанный на принципе электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Созданию его способствовало развитие науки. Отметим установленные Кирхгоффом законы разветвленной электрической цепи, работы Вебера и Гаусса в области теории магнетизма, установления закона сохранения и превращения энергии, установления закона тепловых действий тока (закон Джоуля – Ленца) и обширные исследования Фарадея.

Познакомившись с экспериментальными исследованиями Фарадея в области электричества, Максвелл понял, что для торжества и развития его идей необходимо переложить их на строгий математический язык. В 1873 г. он создал обобщающую теорию электричества и магнетизма.

Третий период развития электротехники (1867 – 1891 гг.) начался в то время, когда на основе явления электромагнитной индукции и принципа самовозбуждения («динамоэлектрический принцип») был построен генератор Грамма, дававший дешевую электроэнергию. Во второй половине 1870-х гг., благодаря работам Яблочкова, появились генераторы однофазного переменного тока. Они получили применение лишь благодаря свече Яблочкова. Свеча Яблочкова дала возможность установить электрическое освещение в общественных помещениях, улицах, парках и т.д. В 1879 г. была изобретена лампа накаливания Т. Эдисона. Она, кстати вызвала к жизни новую отрасль – вакуумную технику.

Временные преимущества переменного тока с отмиранием свечи Яблочкова и широким распространением электродвигателей постоянного тока, укрепили позиции сторонников последнего. Однако увеличение спроса на электроэнергию и стремление понизить ее стоимость, выдвинули проблему создания больших электростанций и передачи энергии на большие расстояния. В 1880 г. Депре и Лачинов установили, что для уменьшения тепловых потерь надо передавать ток высокого напряжения. Все попытки передавать постоянный ток высокого напряжения, вырабатываемый специальными генераторами к успеху не привели. В 1885 г. венгерскими инженерами М. Дери, О. Блатти и К. Циперновским был создан промышленный тип однофазного трансформатора. Началось строительство электропередач на переменном токе, однако однофазный ток не годился для применения в электроприводах. Поэтому для этой цели применялись старые электростанции постоянного тока и старые генераторы в режиме двигателей.

Неудобство от существования двух электросетей были преодолены с открытием Феррарисом явления вращающегося магнитного поля и созданием на его основе двухфазной (Никола Тесла) и трехфазной (Михаил Иосифович Доливо-Добровольский) систем.

Четвертый период развития электротехники начался в 1891 г. и продолжается до сих пор. Его начало связано с и созданием паровых турбин Парсонса, пригодных для установки на электростанциях. IV период характеризуется огромным ростом производства электроэнергии не только на тепловых, но и гидро- и атомных электростанциях. В этот период зародились и невероятно развились радиотехника и электроника.