Лекция 1

Введение

Научно-технический прогресс происходит при все более широком применении электрической энергии. В наше время нет ни одной отрасли народного хозяйства, ни одной научно-исследовательской работы, где бы она так или иначе не использовалась. Применение электроэнергии стало возможным с появлением электротехники — науки о практическом применении электрических и магнитных явлений природы и законов, их описывающих.

Начала электротехники заложили ученые XVIII и XIX столетий, когда был сделан ряд важных открытий в области изучения электро-магнетизма и изобретений, связанных с его применением.

Во второй половине XVIII в. были проведены замечательные работы в области изучения электрических явлений академиками Петербургской Академии наук М. В. Ломоносовым, Г. В. Рихманом и Т. У. Эпинусом. Г. В. Рихман начал работу по изучению электрических явлений в 1744 г., стремясь получить возможность количественно измерять электричество. Для этого им был построен прибор, явившийся первым в мировой практике электрометром.

Одним из пионеров идеи о существовании связи между электри-ческими и магнитными явлениями был русский академик Т. У. Эпинус.

Серия важнейших работ появилась начиная с 1820 г., после открытия датским ученым X. К. Эрстедом влияния электрического тока на магнит-ную стрелку. Он установил, что ток, проходя по проводнику, оказывает механические воздействия на находящуюся вблизи него магнитную стрелку, стремясь повернуть ее перпендикулярно проводнику. Таким образом впервые был установлен факт существования магнитного поля вокруг проводника с током.

Французский ученый Д. Ф. Араго с помощью создаваемого электри-ческим током магнитного поля намагнитил кусок стали, создав первый электромагнит со стальным сердечником (1824). Его соотечественник А. М. Ампер открыл явление механического взаимодействия токов и установил закон этого взаимодействия, положив таким образом начало электродинамике (1826).

В 1821 г. английский ученый М. Фарадей показал, что проводник с током вращается вокруг магнитного полюса. Это в дальнейшем было использовано изобретателями электродвигателей. В 1821 г. Т. И. Зеебе-ком было открыто явление термоэлектричества, позволившее непо-средственно превращать тепловую энергию в электрическую.

В 1827 г. немецким ученым Г. С. Омом было найдено соотношение между силой тока, электродвижущей силой источника энергии и сопро-тивлением проводника, по которому проходит ток, т. е. был открыт закон Ома. Последовавшее затем установление правил Кирхгофа для разветвленных цепей позволило облегчить расчеты сложных электри-ческих цепей и понимание процессов, протекающих в них.

Теоретическим фундаментом для развития электротехники послу-жили открытие Фарадеем закона электромагнитной индукции (1831) и работы Дж. К. Максвелла и Э. X. Ленца. На основании теоретических и экспериментальных исследований этих ученых уже в XIX в. появились первые образцы электрических машин, трансформаторов, электрических ламп. Особенно большие заслуги в этой области принадлежат русским ученым и изобретателям.

В 1833 г. академиком Петербургской Академии наук Э. X. Ленцем было установлено правило, названное его именем; затем эксперимен-тально обоснован закон Джоуля — Ленца (1842). Им же совместно с академиком Б. С. Якоби были разработаны методы расчетов электро-магнитов и открыта обратимость электрических машин. Б. С. Якоби построил первый в мире электродвигатель (1834—1838), он же является создателем гальванопластики (1838), изобретателем первого буквопе-чатающего телеграфного аппарата (1850). В 1802 г. русским ученым В. В. Петровым была открыта электрическая дуга. Первое ее практическое применение для освещения было осуществлено П. Н. Яблочковым с помощью изобретенной им электрической «свечи» (1875). Затем электри-ческую дугу использовали для сварки и резания металлов, что было сделано также русскими изобретателями Н. Н. Бенардосом и Н. Г. Сла-вяновым. П. Н. Яблочков предложил оригинальные конструкции машин постоянного и переменного токов.

Создателем техники трехфазного тока является русский ученый М. О. Доливо-Добровольский. Им создан первый асинхронный двигатель с ротором типа «беличье колесо» (1889), первый трехфазный генератор переменного тока (1888). В 1891 г. на Всемирной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне М. О. Доливо-Добровольский демонстрировал первую в мире систему электропередачи трехфазного тока на расстояние около 170 км. Им же были разработаны все элементы трехфазных цепей переменного тока, трансформаторы трехфазного тока, пусковые реостаты, измерительные приборы.

Первую в мире лампу накаливания (1872) изобрел А. Н. Лодыгин.

Русский ученый С. Н. Вавилов разработал теорию, связанную с явлением люминесценции, и под его руководством была разработана технология производства ламп «дневного» света. Работы А. Н. Лодыгина, А. Г. Столетова, Т. А. Эдисона, Дж. А. Флеминга и других исследователей привели к созданию в 1904 г. двухэлектродной лампы — диода. Первые радиолампы в России были изготовлены Н. Д. Папалекси, а первые электровакуумные приемно-усилительные лампы — М. А. Бонч-Бруевичем.

Большой вклад в полупроводниковую технику внесли ученые школы академика А. Ф. Иоффе, кристаллический (полупроводниковый) усилитель и генератор были созданы О. В. Лосевым.

Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) в период второй мировой войны дало новый толчок исследованиям в области полупроводников. Новым этапом в развитии элементной базы электроники было изобретение американских ученых Бардина и Браттейна - германиевый точечный транзистор (позднее были разработаны кремниевый точечный транзистор, плоскостные транзисторы и другие полупроводниковые приборы). По сравнению с лампами транзисторы той же мощности имеют значительно меньшие размеры, практически неограниченный срок работы, высокую механическую прочность, невысокое питающее напряжение и другие преимущества.

Следующий этап повышения технического уровня развития эле-ментной базы электронной аппаратуры обусловлен переходом на ин-тегральные микросхемы (ИМС). Интегральная технология оказала глубокое влияние на все этапы разработки, изготовления и эксплуатации современной электронной аппаратуры. Электроника стала основой электронно-вычислительной техники, автоматических систем других устройств. В СССР первую электронную ЦВМ (цифровую вычи-слительную машину), разработанную под руководством академика С. А. Лебедева, построили в 1950 г.

Итак, электротехника и электроника заняли важнейшее место в жизни современного общества, так как в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, быту, медицине, культуре они способствуют карди-нальному изменению экономических и социальных условий жизни человека.