2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапыразвитияэлектротехники

2.1.1. Общиесведения

Электрические и магнитные явления наблюдались еще в глубокой древности. История светотехники насчитывает немногим более полутора столетий. Её начало относят к моменту создания первого электрохимического генератора в 1800 г. До этого были сделаны только первые шаги по созданию простейших электростатических машин и приборов и установлению некоторых закономерностей в области статического электричества и магнетизма.

С 1800 по 1830 г. происходило изучение действий 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. Эти годы считают первым этапом развития электротехники.

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

Третий этап (1870–1891) ознаменовался внедрением в промышленность электромашинного генератора постоянного тока и завершением исследований в области многофазных систем. Это период интенсивного развития электротехники в условиях децентрализованного производства электроэнергии и начального развития электростанций. В это время начинается становление электротехники как самостоятельной отрасли.

Решение проблемы передачи электроэнергии на расстояние, разработка промышленных типов трансформатора и асинхронного двигателя создали предпосылки для широкого развития электрификации. С этого времени начинается четвертый этап в развитии электротехники, продолжающийся до нашего времени.

Остановимся кратко на важнейших открытиях, способствовавших становлению электростатики.

Первые наблюдения электрических и магнитных явлений относятся к VI–VII вв. до нашей эры. В течение многих веков представления о сущности этих явлений были весьма примитивными. Несмотря на это, магнит нашел практическое применение еще до нашей эры в странах древнейших культур – Китае и Индии.

Первое научное сочинение в этой области принадлежит У. Гильберту, опубликовавшему в 1600 г. научную работу «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Гильберт ввел в науку термин «электричество», назвав «электрическими» тела, способные электризоваться. Дальнейшее

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

изучение электрических явлений привело к созданию разнообразных электрических машин и приборов. Были разработаны первая электростатическая машина (1650), лейденская банка (конденсатор) (1745), электроизмерительный прибор Ломоносова (получив одноименный заряд, витки пружины стремятся оттолкнуться, увлекая за собой пластинку с закрепленным на ней стержнем; степень опускания стержня фиксировалась с помощью «усов»), электрический указатель Г. В. Рихмана (первый прибор непосредственной оценки) и крутильные весы Ш. О. Кулона (один из наиболее точных приборов своего времени, позволивший Кулону в 1785 г. установить закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов).

Создание первых электроизмерительных приборов положило начало установлению количественных закономерностей в области электромагнитных явлений. Большое значение имели работы, выявившие электрическую природу грозовых явлений в атмосфере, а также разработка теорий электричества (М. В. Ломоносов, Б. Франклин) и создание разнообразных молниеотводов (М. В. Ломоносов, Б. Франклин, П. Дивиш).

Для практики наиболее удачными оказались опыты по использованию электричества в медицинских целях. В многочисленных трудах конца XVIII

– начала XIX в. описывались разнообразные электростатические машины и при-боры, предназначенные для электролечения. Эти работы немало способствовали расширению знаний в области электричества, установлению влияния электрических разрядов на организм животных и человека, выявлению электроизоляционных свойств стекла, сургуча, смолы, хлопчатобумажных тканей, шелка.

Представляют большой интерес труды русского ученого А. Т. Болотова. Им была создана своеобразная электролечебница, в которой устанавливались простые и «особливо маленькие, складные дорожки» электростатические машины, производившие, однако, «изрядное действие». Свой опыт он обобщил в книге «Краткие и на опытности основанные замечания об электрицизме и способности электрических махин к помоганию от разных болезней», изданной в Петербурге в 1803 г.

2.1.2.Начальныйэтапразвитияэлектротехники

Втечение многих столетий вплоть до последней четверти XVIII в. ученым были известны только явления статического электричества. Промышленный переворот в XVIII в. дал мощный толчок развитию различных отраслей науки, в том числе науки об электричестве. В изучении электрических явлений были достигнуты определенные успехи, ими начинают все более интересоваться не только физики, но и естествоиспытатели, в особенности врачи, пытавшиеся применять электричество для лечебных целей.

Отдельные ученые высказывали предположения, что если «вся природа электрическая», то и в организмах человека и животных по жилам и мускулам должна протекать эта таинственная материя. Одним из подтверждений

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

указанных воззрений были электрические рыбы, известные еще с древних времен. Так возникло представление о новом виде электричества, названном «животным».

Исследованием мышечных движений лягушек занялся профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани (1737–1798). Первые электрофизиологические опыты Л. Гальвани над лягушками относятся к 1770 г. Спустя 11 лет он опубликовал результаты своих исследований в знаменитом «Трактате о силах электричества при мышечном движении», получившем широкую известность [5, 6].

Во время одного из экспериментов, когда препарированная лягушка лежала на столе, на котором находилась электростатическая машина, Л. Гальвани заметил, что если прикоснуться скальпелем (или любым проводником) к бедренному нерву лягушки в момент, когда из кондуктора машины извлекается искра, то мышцы лягушки судорожно сокращаются. Логично было предположить, что и атмосферное электричество должно действовать аналогично. И действительно, при возникновении молнии мышцы лягушки сокращались. Желая выяснить, какие явления будут наблюдаться при ясной погоде, Л. Гальвани прикрепил медный крючок к железным перилам балкона. Прижимая другой конец крючка к перилам, он снова наблюдал сокращение мышц лягушки. Подозревая, что состояние атмосферы не действует на лягушку, он повторил эксперимент в своей домашней лаборатории: положив препарированную лягушку на металлическую обшивку стола и прижав медный крючок, продетый через спинной мозг лягушки, к столу, он снова увидел сильные сокращения мышц лягушки. Однако после замены одного из металлов непроводником мышечных сокращений у лягушки не происходило. Но сокращения были «энергичнее и продолжительнее», если лягушка лежала не на железном листе, а на серебряной пластине.

Л. Гальвани сделал правильное предположение о том, что сокращение мышц вызывается действием электрических сил, что мышцы и нервы образуют как бы две обкладки лейденской банки. Но нужно было решить очень важный вопрос: как и где во всех этих опытах возникает электричество? Ни железная пластинка, ни медный крючок, соприкасавшиеся с телом лягушки, не могли, по представлениям физиков того времени, служить источником электричества, так как на металлы смотрели только как на проводники, считая, что они могут становиться «электрическими» лишь через прикосновение к наэлектризованным телам; тогда оставалось предположить, что таким источником является сама лягушка. Все это создавало почву для представлений о существовании особого – «животного» – электричества; такую мысль и высказал Л. Гальвани для объяснения наблюдавшихся им фактов. Этому предположению Л. Гальвани придал форму теории, изложенной в упомянутом «Трактате о силах электричества при мышечном движении». Тело животного являлось, согласно взглядам Л. Гальвани, своеобразной лейденской банкой, способной на непрерывное повторное действие.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

Опыты Л. Гальвани вызвали большой интерес. Среди физиологов стала еще больше, чем ранее, укрепляться мысль об электричестве как удивительном новом средстве для исцеления. Что касается физиков, то их взгляды на явления, наблюдавшиеся Л. Гальвани, разошлись. Одни соглашались с Л. Гальвани и считали, что «гальваническое», или «животное», электричество имеет совершенно иную природу, чем электричество трения; другие отождествляли оба вида электричества; наконец, третья группа физиков вообще оспаривала существование «животного» электричества. К этой группе принадлежал профессор физики Павийского университета (Италия) Алессандро Вольта.

2.1.3.Созданиепервогоисточникаэлектрическоготока

Втечение нескольких лет (1792–1795) А. Вольта (рис. 2.1) не только повторил все опыты Л. Гальвани, но и произвел ряд новых исследований.

Иесли Л. Гальвани искал причину обнаруженных им явлений как физиолог, то А. Вольта, будучи физиком, искал в них физические процессы [6, 7]. Прежде всего он обратил внимание на факт, уже известный Л. Гальвани, что сокращения мышц наиболее интенсивно происходят при использовании двух разнородных металлов. Продолжая исследования, он отверг идеи Л. Гальвани

о«животном» электричестве и пришел к выводу, что источником электричества является контакт двух разнородных металлов: «Металлы не только прекрасные проводники, но и двигатели электричества. ...Лягушка, приготовленная по способу Гальвани, есть чувствительнейший электрометр», – утверждал А. Вольта [9].

Обобщением исследований А. Вольта была предложенная им теория «контактного электричества», суть которой такова: при соприкосновении различных металлов происходит разложение их «естественного» электричества; при этом электричество одного знака собирается на одном металле, а другого – на другом. Силу, возникающую при контакте двух металлов и разлагающую их «естественное» электричество, А. Вольта назвал электровозбудительной, или электродвижущей, силой; эта сила «пере-

мещает электричество так, что получается разность Рис. 2.1. А. Вольта напряжений» (между металлами. – Авт.) [8].

Исследовав этот вопрос при помощи созданного им весьма чувствительного прибора – электроскопа с конденсатором, А. Вольта установил, что металлы можно распределить в некоторый ряд, в котором «разность напряжений» между двумя металлами будет тем больше, чем дальше они расположены один от другого.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

Ссовременной точки зрения совершенно очевидна ошибочность идеи Вольта о возможности получения электрического тока посредством простого контакта разнородных металлов, т. е. получения электрической энергии без затраты для этого какого-либо другого вида энергии. Однако в начале XIX в. эта теория контактного электричества нашла много сторонников и на некоторое время удержалась

внауке.

Многочисленные эксперименты привели А. Вольта к выводу, что непрерывный электрический «флюид» может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников – металлов (которые он называл «проводниками первого класса») и жидкостей (названных им «проводниками второго класса»). Опыты А. Вольта завершились построением в 1799 г. первого источника непрерыв-

ного электрического тока, составленного из медных и цинковых кружков (пар), переложенных суконными прокладками, смоченными водой или кислотой. Этот прибор, о котором он впервые сообщил президенту Лондонского королевского общества в марте 1800 г., был назван им «электродвижущим аппаратом», а позже французы стали его называть «гальваническим или вольтовым столбом» (рис. 2.2).

Необходимость применения проводников второго класса (суконных кружков, смоченных водой или кислотой) А. Вольта объяснял следующим: при соприкосновении двух различных металлов электричество одного знака сосредоточивается на одном металле, а электричество противоположного знака – на другом. Если составить столб из нескольких пар различных металлов, например цинка и серебра (без прокладок), то каждая цинковая пластина будет находиться в соприкосновении с одинаковыми серебряными пластинами и их общее действие будет взаимно уничтожаться. Для того чтобы действие отдельных пар суммировалось, необходимо обеспечить соприкосновение каждой цинковой пластинки только с одной серебряной. Это осуществляется с помощью проводников второго рода – суконных кружков, смоченных водой или кислотой, разделяющих пары металлов и не препятствующих движению электричества. Таким образом, А. Вольта, не понимая того, что электрический ток возникает в результате химических процессов между металлами и жидкостями, практически пришел к созданию гальванического элемента, действие которого основывалось именно на превращении химической энергии в электрическую. Хотя Вольта и заметил, что поверхности приведенных в контакт разнородных металлов, составляющих гальваническую пару, подвергаются изменению (окисляются), тем не менее он не придал этому факту никакого значения.

А. Вольта предложил кроме столба еще и несколько иную конструкцию источника электрического тока – так называемую чашечную батарею (рис. 2.3), действие которой, по его мнению, также было основано на контакте между двумя металлами (влажную суконную прокладку столба заменяла

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

жидкость). Чашечная батарея представляла собой соединение отдельных элементов, имевших форму банок, наполненных разбавленной серной кислотой, в которую погружались одна медная и одна цинковая пластины. Кроме предложенных А. Вольта конструкций источника электрического тока вскоре были разработаны некоторые другие его модификации.

Рис. 2.3. Чашечная батарея Вольта

Создание вольтова столба подготовило почву для закладки фундамента электротехники. Современник А. Вольта, выдающийся французский ученый, академик Доменик Франсуа Араго (1786–1853) считал вольтов столб «самым замечательным прибором, когда-либо изобретенным людьми, не исключая телескопа и паровой машины». В этом определении нельзя усматривать преувеличения. Вольтов столб – это первый источник непрерывного электрического тока, сыгравший громадную роль как в развитии науки об электричестве, так и в расширении его практических приложений. В различных модификациях он долгое время оставался самым распространенным источником электрического тока. Крупнейшие ученые первой половины XIX в. В. В. Петров, X. Дэви, А. Ампер, М. Фарадей широко применяли вольтов столб для своих опытов.

Научный вклад итальянского ученого был высоко оценен его современниками. Легенды об А. Вольта ходили среди ученых уже при его жизни. Создав вольтов столб, А. Вольта подарил миру, как писал один из его биографов, «невиданный ранее источник электричества, не порциями, как от банок и электрофоров, а непрерывным потоком».

Заслуживают внимания трактат А. Вольта «Об идентичности гальванического и электрического флюидов», его высказывания о «сходстве» электричества и магнетизма.

Современники называли А. Вольта самым великим физиком, жившим

вИталии после Галилея. В 1881 г. на Международном конгрессе электриков

вПариже единице напряжения было присвоено наименование «вольт».

2.1.4. Обнаружениеиизучениедействияэлектрическоготока

Первые же опыты с электрическим током не могли не привести к открытию некоторых присущих ему свойств. Поэтому рассматриваемый период в истории электричества характеризуется главным образом обнаружением и изучением различных действий электрического тока. Масштабные исследования электрического тока в первые годы XIX в. привели к открытию его химических, тепловых, световых и магнитных действий.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

средственно следует за М. В. Ломоносовым». Какие же заслуги нужно было иметь сыну скромного приходского священника в г. Обояни (Курской губернии), чтобы удостоиться звания академика Петербургской академии наук, значительная часть членов которой имела знатное происхождение, а многие были иностранцами! Несмотря на то что В. В. Петров был не только талантливым физиком и химиком, но и блестящим педагогом, основателем первого крупного физического кабинета, «превосходнейшего во всей Российской империи», он постоянно испытывал враждебное отношение официальных кругов. После смерти В. В. Петрова делается все для того, чтобы имя его было забыто. И это удалось: целое поколение русских физиков в течение полувека (1834–1886) ничего не знали о своем выдающемся соотечественнике. И только в 1886 г. был обнаружен его главный труд «Известия о гальванивольтовских опытах» (СПб., 1803). Книга вызвала огромный интерес. Видные физики выступают с докладами о вкладе В. В. Петрова в отечественную электротехнику, в 1887 г. в журнале «Электричество» появляется первая статья о забытом русском ученом.

В30-х гг. ХХ в. были проведены более полные исследования трудов В. В. Петрова, а в 1935 г. Президиум ЦИК СССР принял постановление «Об ознаменовании столетия со дня смерти первого русского электротехника академика В. В. Петрова». В своих трудах по электричеству В. В. Петров собрал обширный опытный материал, который им был тщательно проанализирован: он глубоко понимал значение эксперимента для всестороннего изучения явлений природы. В. В. Петров писал: «...гораздо надежнее искать настоящего источника электрических явлений не в умствованиях, к которым доселе только прибегали почти все физики, но в непосредственных следствиях самих опытов».

Будучи хорошо знакомым с опытами, проводимыми с вольтовым столбом как в России, так и за границей, В. В. Петров пришел к правильному выводу о том, что наиболее полное и всестороннее изучение гальванических явлений возможно только при условии создания большой батареи, т. е. в современной терминологии – источника электрической энергии высокого напряжения. Поэтому он добивается у руководства Санкт-Петербургской меди- ко-хирургической академии выделения средств для постройки «такой огромной величины батареи, чтобы оною можно было надежнее производить такие новые опыты», каких не производил никто из физиков.

Вапреле 1802 г. батарея В. В. Петрова, состоявшая из 4200 медных

ицинковых кружков, или 2100 медно-цинковых элементов (В. В. Петров на-

зывал ее «огромная наипаче батарея»), была готова. Она располагалась в большом деревянном ящике, разделенном по длине на четыре отделения (рис. 2.5). Стенки ящика и разделявших его перегородок были покрыты сургучным лаком. Общая длина гальванической батареи В. В. Петрова составляла 12 м – это был крупнейший в мире источник электрического тока. Как показали современные экспериментальные исследования с моделью батареи В. В. Петрова, электродвижущая сила этой батареи составляла около 1700 В, а

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

максимальная полезная мощность – 60–85 Вт. Ток короткого замыкания батареи не превышал 0,2 А. Вначале В. В. Петров производил, как он указывал, уже известные опыты других физиков, а потом старался производить и такие опыты, «...о которых дотоле не имел никакого известия».

Рис. 2.5. Примерное расположение и соединение элементов в батарее Петрова

В. В. Петрову было хорошо известно, с каким интересом относятся в России к изучению явлений электрического тока. Поэтому в своей книге он подробно описал не только опыты с гальванической батареей, но и способы

ееизготовления, ухода за ней, методику экспериментов и т. п.

Вкниге В. В. Петрова описаны его опыты по электролизу различных жидкостей, исследованию явлений прохождения электрического тока в разреженном воздухе, наблюдению «светоносных» явлений, сопровождающих действие электрического тока, изучению тепловых действий тока.

В. В. Петров впервые подошел к пониманию того, что действие батареи основано на химических процессах, происходящих в медно-цинковом гальваническом элементе, и правильно установил роль крайних металлических кружков, которые служили лишь проводниками электричества. Он также верно указал на то, что окисление поверхности металлических кружков вызывает ослабление действия батареи.

Петровым была впервые установлена важнейшая закономерность

вэлектрической цепи – зависимость тока в проводнике от площади поперечного сечения проводника. Он правильно указал на то, что при увеличении площади поперечного сечения проводника ток в нем возрастает. Поэтому В. В. Петров раньше всех предшественников Г. Ома, сформулировавшего

в1826 г. известный закон, носящий его имя, установил, что через вещества, обладающие большим сопротивлением, гальвани-вольтовская жидкость (так он называл электрический ток. – Авт.) может протекать лишь тогда, когда «количество ее весьма знатно увеличится», т. е. в современной терминоло- гии – при повышении напряжения в цепи. Термин «сопротивление» введен в

электротехнику В. В. Петровым.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

2.1.5. Открытиеэлектрическойдуги иеепрактическоеиспользование

Наибольший интерес из всех работ В. В. Петрова представляет открытие им в 1802 г. явления электрической дуги между двумя угольными электродами, соединенными с полюсами созданного им источника высокого напряжения. Создание источника высокого напряжения явилось необходимым условием для получения устойчивой электрической дуги при небольших токах. Опыты В. В. Петрова указывали на возможность применения электричества для целей освещения, плавки металлов и восстановления металлов из их оксидов.

Широкая практическая реализация этих прогрессивных идей В. В. Петрова началась лишь спустя 75–80 лет. Но ни изобретатель первой широко распространенной дуговой электрической лампы («электрические свечи») П. Н. Яблочков, ни изобретатели электросварки и электроплавки металлов Н. Н. Бернардос и Н. Г. Славянов ничего не знали о трудах В. В. Петрова, имя и труды которого, как уже упоминалось, в течение полувека после его смерти умышленно замалчивались реакционным руководством Министерства просвещения и Российской академии наук. Открытие электрической дуги приписывалось X. Дэви, и она была известна под названием «вольтова дуга», хотя А. Вольта к ее открытию не имел никакого отношения.

До В. В. Петрова никто так четко не указывал на возможность практического применения электричества. Таким образом, В. В. Петров является одним из основоположников электротехники.

До В. В. Петрова физики не могли наблюдать явления дуги, так как они использовали небольшие гальванические батареи, состоявшие большей частью из 100–200 элементов; ЭДС таких батарей были недостаточны для получения устойчивой дуги при огромных внутренних сопротивлениях батарей того времени. Известному английскому ученому Хэмфри Дэви (1778–1829) удалось получить электрическую дугу только в 1808 г., когда им была построена большая гальваническая батарея, состоявшая из 2000 элементов. Подробное описание явления электрической дуги X. Дэви дал в 1812 г., при этом он сам ни в какой степени не претендовал на первенство в открытии этого явления.

В. В. Петровым было положено начало всестороннему исследованию явлений электрического разряда в вакууме. Он установил зависимость этих явлений от материала, формы и полярности электродов, расстояния между ними и степени вакуума. Позднее эти выводы получили подтверждение и развитие в трудах других ученых, в частности М. Фарадея.

Пропуская электрический ток через разные жидкости и тела, В. В. Петров исследовал влияние материала и формы электродов на протекающие процессы. Он применял самые разнообразные электроды: железные, серебряные, медные, оловянные, золотые, древесно-угольные, графитовые, марганцевые и др. В. В. Петровым была правильно определена степень электро-

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

проводности некоторых веществ (древесного угля, льда, серы, фосфора, растительных масел) и выявлены их физико-химические свойства.

В. В. Петров впервые применил параллельное соединение электродов для демонстрации явления электролиза в нескольких трубках с водой, происходящего одновременно при пропускании электрического тока через жидкости (рис. 2.6).

Работа В. В. Петрова с источником тока высокого напряжения не могла не привести его к выводу о важном значении изоляции проводов; им было предложено изготовлять электрические проводники, покрытые сургучом или воском. Разработанный В. В. Петровым принцип изоляции проволочных проводников, заключающийся в покрытии их поверхности изолирующим слоем, нашел дальнейшее развитие в производстве кабельных изделий. Ученый пришел к правильному выводу о высоких электроизоляционных свойствах жирных (растительных) масел.

В. В. Петров явился одним из первых физиков, высказавших правильный взгляд на общность и различие в проявлениях статического и гальванического электричества. Он сделал попытку выяснить сущность электрических явлений, установить причины образования электричества, однако при состоянии науки того времени такую задачу решить было невозможно. Заслуживает внимания мысль В. В. Петрова о том, что электрические явления обусловлены определенными физико-химическими процессами.

Труды В. В. Петрова были хорошо известны его современникам и изучались русскими физиками первой трети XIX в. Широкое распространение трудов В. В. Петрова в России оказало большое влияние на развитие науки об электричестве, на расширение его практического применения.

Рис. 2.6. Схема опыта с параллельным соединением электродов: 1 – стеклянные трубки с водой; 2 – металлические проволоки; 3 – гальваническая батарея

Первые электрохимические опыты, произведенные вскоре после изобретения вольтова столба, вызвали значительный интерес. Специальному ис-

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

следованию электрохимических явлений были посвящены труды X. Дэви, имевшие важное значение для практики. X. Дэви своими опытами доказал несостоятельность господствовавшего в то время среди ученых мнения, о том, что при электролизе соды на одном полюсе получается кислота, а на другом – основание. Он показал, что кислоты и основания, получаемые при электролизе, являются продуктами последующих вторичных реакций. Повторив опыты разложения воды в разных условиях (стеклянные, агатовые

изолотые сосуды; в воздухе и в атмосфере водорода), X. Дэви доказал, что пресная вода разлагается при электролизе только на кислород и водород, причем объем водорода, образовавшегося при этом, вдвое больше объема кислорода. Он установил, что химически чистая вода не поддается электролизу

ичто электрический ток только разлагает соединения, но не создает никаких новых соединений. X. Дэви одним из первых высказал правильные взгляды на то, что электрический ток, полученный от вольтова столба, возникает в результате химических процессов между металлами и электролитом [5].

В1807 г. X. Дэви впервые получил электролитическим путем щелочные элементы – калий и натрий, ранее неизвестные в чистом виде; в 1808 г. им были также получены магний, бор, барий, стронций и кальций. Эти открытия демонстрировали практическую ценность электролиза и еще больше усилили интерес ученых к химическим действиям тока.

В1802–1807 гг. ряду ученых, в том числе профессору Московского университета Петру Ивановичу Страхову (1756–1827), опытным путем удалось установить, что земля и вода являются проводниками тока. Этим открытием была показана возможность применения земли и воды в качестве обратного (второго) провода в устройствах для передачи электрического тока от генератора к приемникам [5].

В1807 г. профессор Московского университета Федор Федорович Рейс (1778–1852) обнаружил явление, впоследствии названное электроосмосом. В выводах из своих опытов Ф. Ф. Рейс указывает, что под действием электричества жидкость может переноситься сквозь пористые тела. Явление электроосмоса в современной технике получило практическое применение, в част-ности при осушке намывных плотин (электродренаж).

Широкое применение вольтовых столбов и других источников электрического тока не могло не усилить интереса к вопросу о том, в результате каких действий в них появляется электрический ток. Становилось понятным, что химические реакции в гальванических элементах являются первичными,

авозникновение тока есть их следствие, т. е. явление вторичное. Контактная теория А. Вольта становилась малоубедительной, и ей все чаще стали противопоставлять химическую теорию гальванизма, согласно которой возникновение электричества определяется химическими процессами. Эта теория впервые наиболее четко была разработана петербургским академиком Геор-

гом Парротом (1767–1852), считавшим, что явления в вольтовом столбе и других гальванических элементах происходят исключительно за счет окисления металлов, т. е. за счет изменения одного из веществ элемента.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

М. Фарадей также выступал против контактной теории электричества, указывая, что нет такого случая, даже при ударах электрического угря и ската, когда электричество получалось бы без затраты какого-либо другого вида энергии.

Многочисленные опыты по электролизу различных жидкостей вскоре привели к необходимости объяснения механизма электролиза, вызвали потребность в теоретических обоснованиях происходящих явлений. Теории электролиза были предложены рядом ученых, но наиболее приближенной к современным воззрениям на процессы электролиза явилась теория электролиза литовского профессора Теодора Гротгуса (1785–1822), которая была, по существу, первой ионной теорией электролитических явлений. Т. Гротгус

в1805 г. опубликовал «Мемуар о разложении при помощи гальванического электричества воды, а также растворенных в ней тел» [5, 8].

Теория Т. Гротгуса была передовой для своего времени, она продержалась в науке более 70 лет, уступив место теории электролитической диссоциации. Известные законы электролиза были сформулированы М. Фарадеем

в1833–1834 гг. Им же были предложены термины «электрод», «анод», «катод».

2.1.6. Взаимодействиеэлектрическоготокаимагнита

Расширение и углубление исследований электрических явлений привели к открытию и изучению новых свойств электрического тока. О связи электрических и магнитных явлений говорили многие факты, наблюдавшиеся, в частности, при ударах молнии в компас: магнитная стрелка перемагничивалась. В 1775 г. два английских корабля шли параллельным курсом из Лондона на запад и на широте Бермудских островов попали в шторм с грозой. В один из кораблей ударила молния. Капитан второго судна, которое не пострадало, удивился, когда увидел, что первое судно почему-то повернуло назад и направляется в Англию. После проверки компасов обоих судов было установлено, что полярность стрелки компаса пострадавшего корабля изменилась на противоположную, и капитан судна полагал, что он плывет на запад, а в действительности плыл на восток, в Англию.

Первым ученым, убедительно показавшим связь между электричеством и магнетизмом, был Г. Х. Эрстед. Хотя, как уже отмечалось, значительно ранее эту связь обнаружил Д. Романьози [5, 6].

Г. Х. Эрстед, будучи доктором философии, размышляя о взаимодействии различных физических явлений, пришел к выводу о том, что должна быть связь между теплотой, светом, магнетизмом и электричеством. Еще в 1812 г. в одном из своих трудов Г. Х. Эрстед высказывал предположение о связи между электрическими и магнитными явлениями: «Следует испробовать, не произведет ли электричество в своей самой скрытой стадии какихлибо действий на магнит как таковой». Позднее, когда во время его лекции студентам Копенгагенского университета он демонстрировал нагревание

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

проволоки электрическим током и стрелка компаса, случайно находившегося рядом, отклонилась, Г. Х. Эрстед убедился в справедливости своей давней догадки.

В1820 г. после дополнительных экспериментов Г. Х. Эрстед опубликовал результаты своих наблюдений за действиями тока на магнитную стрелку, вызвавшие большой интерес среди ученых разных стран и получившие в их трудах дальнейшее развитие.

В1820 г. немецкий физик Иоган Х. С. Швейггер (1779–1857) предложил использовать отклонение магнитной стрелки электрическим током для создания первого измерительного прибора – индикатора тока. Его прибор, получивший название «мультипликатора» (т. е. умножающего) представлял собой магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из нескольких витков проволоки [5].

Однако вследствие влияния земного магнетизма на магнитную стрелку мультипликатора его показания были неточными. А. Ампер в 1821 г. показал возможность устранения влияния земного магнетизма с помощью астатической пары, представляющей собой две магнитные стрелки, укрепленные на общей медной оси и расположенные параллельно, с полюсами, обращенными

впротивоположные стороны. В 1825 г. флорентийский профессор Леонардо Нобили (1784–1835) скомбинировал астатическую пару с мультипликатором и построил таким образом более чувствительный прибор – прообраз гальванометра.

В1820 г. Д. Ф. Араго обнаружил новое явление – намагничивание проводника протекающим по нему током. Если медная проволока, соединенная

сполюсами вольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к ней прилипали; при выключении тока опилки падали. Когда Д. Ф. Араго брал вместо медной проволоки железную (из мягкого железа), то она временно намагничивалась; кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом. По рекомендации А. Ампера Д. Ф. Араго заменил прямолинейную проволоку проволочной спиралью, при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, усиливалось. Так был создан соленоид. Опыты Д. Ф. Араго первыми указали на электрическую природу магнетизма и показали возможность намагничивания стали электрическим током [5].

Впроцессе своих исследований Д. Ф. Араго в 1824 г. обнаружил еще одно новое явление, названное им «магнетизмом вращения», правильное объяснение чего, как будет показано далее, было дано М. Фарадеем только после открытия явления электромагнитной индукции.

Новым шагом от качественных наблюдений действия тока на магнит

копределению количественных зависимостей явилось установление французскими учеными Жаном Батистом Био (1774–1862) и Феликсом Саваром (1791–1841) закона действия тока на магнит. Проведя ряд экспериментов, они в 1820 г. установили следующее: если неограниченной длины провод

спроходящим по нему током действует на частицу северного или южного

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

магнетизма, находящуюся на известном расстоянии от середины провода, то равнодействующая всех сил, исходящих из провода, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию частицы от провода и общее действие провода на любой, южный или северный, магнитный элемент обратно пропорционально расстоянию от последнего до провода. Обнаружение тангенциальной составляющей силы позволило объяснить вращательный характер движения проводника относительно магнита.

Французский ученый Пьер Симон Лаплас (1749–1827) показал впоследствии, что сила действия, создаваемая небольшим участком проводника, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.

Важнейшее научное и методологическое значение в расширении исследования новых явлений имели труды одного из крупнейших французских ученых Андре Мари Ампера (1775–1836), заложившие основы электродинамики [5, 6, 9]. А. Ампер (рис. 2.7) был необыкновенно одаренным от природы человеком. Несмотря на слабое здоровье, он неустанно занимался фундаментальными научными исследованиями и внес немеркнущий вклад в сокровищницу мировой цивилизации. Его исследования в области электромагнетизма открыли новую страницу в истории элек-

тротехники. При изучении этих явлений ярко про- Рис. 2.7. А. Ампер явились феноменальные способности А. Ампера.

Он впервые узнал об опытах Г. Х. Эрстеда на заседании Парижской академии наук, где их повторил во время своего сообщения Д. Ф. Араго. Вместе с восхищением А. Ампер интуитивно почувствовал важность открытия Эрстеда, хотя ранее он не занимался изучением электромагнитных явлений. И ровно через неделю, 18 сентября 1820 г., А. Ампер выступает на заседании академии с докладом о взаимодействии токов и магнитов, а затем практически еженедельно (с такой периодичностью проводились заседания Парижской академии наук) он излагает перед крупнейшими французскими учеными результаты своих экспериментальных и теоретических исследований, которые позднее были отражены в его знаменитом труде по электродинамике.

В одном из писем А. Ампер подчеркивает, что он «создал новую теорию магнита, сводящую все явления к явлениям гальванизма».

Поразительна логика его обобщений: если ток – это магнит, то два тока должны взаимодействовать подобно магнитам. Теперь это кажется очевидным, но до А. Ампера никто так четко на это не указал. Блестящие познания в области математики позволили А. Амперу теоретически обобщить резуль- та-ты своих исследований и сформулировать известный закон, носящий его имя.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

Рассмотрим более подробно работы А. Ампера в области электромагнетизма. Прежде всего отметим, что А. Ампером были введены термин «электрический ток» и понятие «направление электрического тока». Он предложил считать за направление тока направление движения «положительного электричества».

Наблюдая отклонение магнитной стрелки под влиянием тока в проводнике, А. Ампер сформулировал правило, позволяющее определить направление отклонения магнитной стрелки в зависимости от направления тока в проводнике. Это правило было в то время широко известно под названием «правило пловца».

Особенно важное значение имели исследования А. Ампером взаимодействия круговых и линейных проводников с токами. К этим исследованиям он подошел, основываясь на следующих рассуждениях: если магнит по своим свойствам аналогичен катушке или кольцевому проводнику, обтекаемым током, то два круговых тока должны действовать друг на друга подобно двум магнитам.

Открыв взаимодействие круговых проводников с током, А. Ампер начал исследование взаимодействия линейных проводников с токами. С этой целью он построил так называемый «станок Ампера» (рис. 2.8), в котором один проводник мог изменять положение относительно другого проводника. В ходе этих опытов было установлено, что два линейных проводника с токами притягиваются или отталкиваются в зависимости от того, имеют токи одинаковое направление или различное. Серия таких опытов позволила А. Амперу открыть закон взаимодействия линейных проводников с токами: два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются, между тем как два параллельных и противоположно направленных тока взаимно отталкиваются. Обнаруженные явления А. Ампер предложил назвать «электродинамическими» в отличие от электростатических явлений.

Рис. 2.8. Станок Ампера

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

Обобщая результаты своих экспериментальных работ, А. Ампер вывел математическое выражение количественных соотношений взаимодействующих токов, подобно тому как это сделал Ш. Кулон по отношению к взаимодействию статических зарядов. Эту задачу А. Ампер решил аналитически, исходя из принципов И. Ньютона о взаимодействии масс и уподобляя этим массам два элемента тока, произвольно расположенные в пространстве. При этом А. Ампер предположил, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, соединяющей середины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов тока и самим токам. Первый труд А. Ампера о взаимодействии электрических токов был опубликован в 1820 г.

Электродинамическая теория А. Ампера изложена им в сочинении «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», изданном в Париже в 1826–1827 гг.

Опираясь на труды предшественников, а также на важные результаты своих исследований, А. Ампер пришел к принципиально новому выводу о причине явлений магнетизма. Отрицая существование особых магнитных жидкостей, он утверждал, что магнитное поле имеет электрическое происхождение. Основываясь на тождестве действия круговых токов и магнитов, А. Ампер пришел к выводу о том, что магнетизм какой-либо частицы обусловлен наличием круговых токов в этой частице, а свойства магнита в целом обусловлены электрическими токами, расположенными в плоскостях, перпендикулярных к его оси. Разработанная А. Ампером гипотеза молекулярных круговых токов явилась новым, прогрессивным шагом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений.

А. Ампером в 1820 г. была высказана мысль о возможности создания электромагнитного телеграфа, основанного на взаимодействии проводника с током и магнитной стрелки. Однако ученый предлагал взять «столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв, помещая каждую букву на отдельной стрелке». Очевидно, что подобная конструкция телеграфа была бы весьма громоздкой и дорогой, что, по-видимому, помешало практической реализации этой идеи. Потребовалось некоторое время, для того чтобы найти другой путь создания телеграфа.

Значение работ А. Ампера для науки весьма велико. Своими исследованиями он доказал единство электричества и магнетизма и нанес решительный удар царившим до него представлениям о магнитной жидкости. Установленные им законы механического взаимодействия электрических токов принадлежат к числу крупнейших открытий в области электричества.

Выдающийся вклад А. Ампера в науку получил высочайшую оценку: в 1881 г. Первый Международный конгресс электриков присвоил единице силы тока наименование «ампер» [5, 9].

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

2.1.7.Установлениезаконовэлектрическойцепи

В. В. Петров еще в начале XIX в. указал на связь между поперечным сечением проводника и величиной тока в нем. В 1821 г. X. Дэви установил, что проводимость проводника зависит от материала и температуры; он также пришел к выводу о зависимости проводимости от площади поперечного сечения проводника. Более глубоко эти явления были исследованы немецким

Затем Ом провел серию экспериментов по исследованию проводимости различных металлов, из которых изготовлялись проводники, исследовал также зависимость угла отклонения магнитной стрелки от площади поперечного сечения проводника. Он установил, что проволоки из одного и того же материала, различающиеся площадью поперечного сечения, имеют «...одинаковую проводимость, если их длины пропорциональны поперечным сечениям»

(рис. 2.10).

Во время проведения опытов Г. С. Ом столкнулся с большими трудностями: электродвижущая сила гальванических элементов заметно снижалась в процессе их эксплуатации, механизм работы источников питания был неизвестен, общепринятых методов определения электропроводности проводников не существовало, в научную практику не были введены величины, характеризующие ток в цепи, не было приборов для измерения этих величин. Нужно было разработать не только методику проведения экспериментов, но и создать соответствующие приборы, обеспечить большую точность измерений. Все это потребовало от ученого незаурядного мастерства, упорства и находчивости. Ему пришлось отказаться от гальванических батарей и заменить их термоэлементом, изготовить несколько конструкций мультипликаторов.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

Рис. 2.10. Схема опыта Ома для измерения сопротивления

На основе многочисленных экспериментов Г. С. Ому удается вывести формулу, связывающую «силу магнитного действия проводника» (т. е. ток) с электровозбуждающей силой (ЭДС) источника и сопротивлением цепи, – это уже была основа закона электрической цепи.

Продолжая совершенствовать измерительную установку, Г. С. Ом разрабатывает оригинальные теоретические положения, характеризующие процессы в электрических цепях: изучив теоретические исследования в области теплопроводности и гидравлики, он впервые проводит аналогию между движением электричества и тепловым или водяным потоками и приходит к выводу, что разность потенциалов играет роль падения температур или разности уровней воды в трубах.

В 1827 г. выходит в свет его фундаментальный труд «Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Г. С. Омом» (он также известен под названием «Теоретические исследования электрических цепей»). Закон, носящий его имя, Г. С. Ом сформулировал следующим образом: «Величина тока гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме приведенных длин» (под «приведенными длинами» подразумевается сопротивление внешней части цепи). Если цепь питается от батареи, то ток пропорционален ЭДС элемента (в числителе), а в знаменателе кроме сопротивления цепи указывается и внутреннее сопротивление элемента.

Г. С. Ом доказал справедливость формулы при оценке силы тока как по магнитному, так и по химическому действию тока. Несколько лет закон Г. С. Ома не получал признания, отчасти потому, что в первых его публикациях были допущены неточности, а также по причине недостаточной известности имени скромного школьного учителя.

Однако после подтверждения правильности закона Г. С. Ома такими известными электротехниками, как петербургские академики Эмилий Христианович Ленц и Борис Семенович Якоби (1801–1874), а также присуждения Г. С. Ому золотой медали Лондонским королевским обществом (1842) его труд по праву занял почетное место в науке. Он явился фундаментом теоретической электротехники и сохранил свое значение до наших дней. На Первом Международном конгрессе электриков единица сопротивления тока была названа «омом».

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

Кроме исследований в области электрических цепей Ом занимался проблемами акустики, поляризации света, создавал оригинальные демонстрационные приборы. В ответ на просьбы коллег Ом написал очень содержательный и хорошо иллюстрированный учебник по физике, однако второй том своего капитального труда завершить не успел. Ом писал, что работа над учебником принесла ему «много радости». Сохранилось также немало электромагнитных устройств, созданных руками Ома (рис. 2.11).

Выдающиеся открытия в области электричества и магнетизма, связанные с именами А. Ампера, Г. С. Ома, М. Фарадея, Э. Х. Ленца, требовали более точного количественного описания этих явлений, их математического анализа и разработки расчетных методов, необходимых для решения практических задач, выдвигаемых развивающимся производством. Выдающимся вкладом в решение этих задач явились труды профессора Берлинского университета Густава Роберта Кирхгофа (1824–1887) (рис. 2.12).

Рис. 2.11. Приборы, изготовленные Омом: катушка и электромагнит

В 1845 г., когда Г. Р. Кирхгофу был всего 21 год, он написал работу «О протекании электрического тока через плоскую пластину, например, круглой формы». В примечании к этой работе были сформулированы два закона Г. Р. Кирхгофа, ставшие фундаментальными законами теоретической электротехники. Они еще при жизни Г. Р. Кирхгофа вошли во все учебники физики и до сих пор широко применяются электротехни-

Рис. 2.12. Г. Р. Кирхгоф ками всего мира.

В последующих трудах Г. Р. Кирхгофа были рассмотрены количественные соотношения, связанные с явлением электромагнитной индукции и изучением переходных процессов.

Г. Р. Кирхгоф проявил себя как блестящий исследователь и экспери- мен-татор в различных областях физики (механики, оптики, теории излуче-

ния) [5, 6, 13].

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

2.1.8.Открытиеявленияэлектромагнитнойиндукции

Большой вклад в современную электротехнику внес английский ученый Майкл Фарадей (рис. 2.13), труды которого, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами по изучению электрических и магнитных явлений [5, 6, 9].

Есть нечто символическое в том, что в год рождения М. Фарадея (1791) был опубликован трактат Луиджи Гальвани с первым описанием нового физического явления – электрического тока, а в год его смерти (1867) была изобретена динамо-машина – самовозбуждающийся генератор постоянного тока, т. е. появился надежный, экономичный и удобный в эксплуатации источник электрической энергии. Жизнь великого ученого и его уникальная по методам, содержанию и значению деятельность не только открыли новый раздел физики, но и сыграли решающую роль в рождении новых отраслей техники –

ролевского общества (Британской академии наук) он был избран еще в 1824 г. С 1816 г. (когда увидела свет первая научная работа М. Фарадея, посвященная химическому анализу тосканской извести) по 1831 г. (когда стал публиковаться его знаменитый научный дневник «Экспериментальные исследования по электричеству») М. Фарадеем было опубликовано свыше 60 научных трудов.

Каждое исследование М. Фарадея отличалось такой обстоятельностью и настолько согласовывалось с предыдущими результатами, что среди современников почти не находилось критиков его работ.

Если исключить из рассмотрения химические исследования М. Фарадея, которые в своей области также явились эпохой (достаточно упомянуть об опытах сжижения газов, об открытии бензола, бутилена), то все его работы образуют картину всестороннего исследования двух проблем: взаимопревращений различных форм энергии и физического содержания среды.

Работам М. Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Ампера, Био, Савара, проведенных в 1820 г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

имагнита: здесь, как уже отмечалось, действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендикулярно проводнику. М. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника с током? Опыт подтвердил гипотезу. В 1821 г. Фарадей дал описание физического прибора, схематически представленного на рис. 2.14.

Влевом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника. В правом сосуде стержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Поскольку в этом опыте впервые фигурирует магнитоэлектрическое устройство с непрерывным движением, то вполне правомерно начать именно с этого устройства историю электрических машин вообще и электродвигателя в частности. Обратим также внимание на ртутный контакт, нашедший впоследствии применение в электромеханике.

Рис. 2.14. Схема «электромагнитных вращений»: 1, 2 – чаши с ртутью; 3 – подвижный магнит; 4 – неподвижный магнит; 5, 6 – провода, идущие к батарее гальванических элементов; 7 – медный стержень; 8 – неподвижный проводник; 9 – подвижный проводник

Именно после этого опыта, судя по всему, у Фарадея начинают складываться представления о всеобщей «взаимопревращаемости сил». Получив

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

при помощи электромагнетизма непрерывное механическое движение, он ставит перед собой задачу обратить явление или, по терминологии М. Фарадея, «превратить магнетизм в электричество».

Только абсолютная убежденность в справедливости гипотезы о «взаимопревращаемости» может объяснить целеустремленность и настойчивость ученого: тысячи опытов и 10 лет напряженного труда, затраченного на решение поставленной задачи. В августе 1831 г. был сделан решающий опыт, а 24 ноября на заседании в Королевском обществе была изложена сущность явления электромагнитной индукции.

Майкл Фарадей после открытия им явления электромагнитной индукции не только объяснил причину вращения медного диска под влиянием магнита, но и указал практический путь использования этого явления. Опытным путем Фарадей показал, как получается электричество из магнита. Принеся в лабораторию большой подковообразный электромагнит (рис. 2.16), к его полюсам он прикрепил два стальных бруска и в промежуток между ними ввел край медного диска. Край диска и его ось были соединены посредством щеток с гальванометром. При вращении диска стрелка гальванометра «показывала наличие в нем электрического тока», причем стрелка испытывала не мгновенный толчок, а все время находилась в отклоненном положении, пока диск вращался. Это был первый в мире электромашинный генератор, полу-

чивший позднее название униполярного генератора. С него начинается история электрических машин.

Практически одновременно с М. Фарадеем электромагнитную индукцию наблюдал выдающийся американский физик Джозеф Генри (1797–1878) (рис. 2.15). Не трудно себе представить переживания ученого, будущего президента Национальной академии наук США, когда он, собираясь опубликовать свои наблюдения, узнал о публикации М. Фарадея. Год спустя Д. Генри открыл явление самоиндукции и экстратоки, а также установил зави-

симость индуктивности цепи от свойств материала и конфигурации сердечников катушек. Рис. 2.15. Д. Генри

В 1838 г. Д. Генри изучал «токи высшего порядка», т. е. токи, индуцированные другими индуцированными токами. В 1842 г. продолжение этих исследований привело Д. Генри к открытию колебательного характера разряда конденсатора (позднее, в 1847 г., это открытие повторил выдающийся немецкий физик Герман Гельмгольц (1821–1894)).

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

Вторая серия опытов иллюстрировала явление электромагнитной индукции, возникавшее при отсутствии источника напряжения в первичной цепи. Исходя из того что катушка, обтекаемая током, идентична магниту, М. Фарадей заменил источник напряжения двумя постоянными магнитами (рис. 2.17, д) и наблюдал ток во вторичной обмотке при замыкании и размыкании магнитной цепи. Это явление он назвал «магнитоэлектрической индукцией»; позднее им было отмечено, что никакой принципиальной разницы между «вольта-электрической» и «магнитоэлектрической» индукцией нет. Впоследствии оба эти явления были объединены термином «электромагнитная индукция».

В заключительных экспериментах (рис. 2.17, е, ж) демонстрировалось появление индуцированного тока при движении постоянного магнита или катушки с током внутри соленоида. Именно этот опыт нагляднее других продемонстрировал возможность превращения «магнетизма в электричество» или, точнее, механической энергии в электрическую.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

в

г

ж

Рис. 2.17. Схемы основных опытов М. Фарадея приведших к открытию электромагнитной индукции

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

М. Фарадей обращает внимание на терминологию и способ объяснения явления. Для определения направления индуцированного тока он вводит «правило ножа», перерезающего силовые линии. Это еще не закон Э. Х. Ленца, для которого свойственна универсальность характеристики явления, а только попытки каждый раз путем подробных описаний установить, будет ли ток протекать от рукоятки к кончику лезвия или наоборот. Но здесь важна принципиальная картина: М. Фарадей в противовес сторонникам теории дальнодействия, заполняет пространство, в котором действуют различные силы, материальной средой, эфиром, развивая эфирную теорию Л. Эйлера, находившегося, в свою очередь, под влиянием идей М. В. Ломоносова.

М. Фарадей придавал магнитным, а затем, при исследовании диэлектриков, и электрическим силовым линиям физическую реальность, наделял их свойством упругости и находил очень правдоподобные объяснения самым различным электромагнитным явлениям, пользуясь представлением об этих упругих линиях, похожих на резиновые нити.

Прошло более полутора столетий, а ученые до сих пор не нашли более наглядного способа и схемы объяснения явлений, связанных с индукцией и электромеханическими действиями, чем знаменитая концепция фарадеевских линий, которые и поныне нам представляются вещественно ощутимыми.

Из диска Д. Ф. Араго М. Фарадей сделал новый источник электричества. Заставив вращаться алюминиевый или медный диск между полюсами магнита, Фарадей наложил на ось диска и на его периферию щетки. Таким образом была сконструирована электрическая машина, получившая позднее наименование униполярного генератора.

При анализе работ М. Фарадея отчетливо проявляется генеральная идея, которая разрабатывалась великим ученым всю его творческую жизнь. Складывается впечатление, что он занимался только одной проблемой взаимопревращений различных форм энергии, а все его открытия совершались между делом и служили лишь целям иллюстрации главной идеи. Он исследует различные виды электричества (животное, гальваническое, магнитное, термоэлектричество) и, доказывая их качественную тождественность, открывает закон электролиза. При этом электролиз, как и сокращение мышц препарированной лягушки, служил первоначально лишь доказательством того, что все виды электричества проявляются в одинаковых действиях.

Исследования статического электричества и явления электростатической индукции привели М. Фарадея к формированию представлений о диэлектриках. Дальнейшее исследование взаимодействия и взаимопревращения сил привели его к открытию магнитного вращения плоскости поляризации света, к открытию диа- и парамагнетизма. Убежденность во всеобщности взаимопревращений заставила М. Фарадея даже обратиться к исследованию связи между магнетизмом и электричеством, с одной стороны, и силой тяжести – с другой.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

нейших физических явлений стоит упомянуть, что еще в 1832 г. гениальный ученый рискнул предположить, что электромагнитные процессы носят волновой характер, причем магнитные колебания и электрическая индукция распространяются с конечной скоростью.

2.1.9. Зарождениетеоретическихосновэлектротехники

Как известно, процессы в электрической цепи определяются скалярными величинами – электродвижущей силой (или напряжением) и током. Напомним, что автором термина «электродвижущая сила» был А. Вольта. После первых качественных и количественных исследований в 20-е гг. XIX в. стали формироваться физические основы теории электрических токов и основы расчетов электрических цепей (А. Ампер, Г. С. Ом). Еще до Г. Р. Кирхгофа ученые находили токи в разветвлениях цепей, но только Г. Р. Кирхгофу в 1845–1847 гг. удалось сформулировать известные топологические законы (названные его именем), которые легли в основу всех последующих методов расчета цепей.

В 1845 г. немецкий физик-теоретик Франц Эрнст Нейман (1798–1895) дал математическое выражение закона электромагнитной индукции.

Английский физик Чарльз Уитстон (1802–1875) в связи с работами по усовершенствованию телеграфа искал способы измерения сопротивлений. В результате он создал знаменитый «мостик Уитстона», достоинством которого являлась независимость состояния равновесия от напряжения источника питания. В 1840 г. он показывал свое устройство Б. С. Якоби, а в 1843 г. дал описание своего «мостика». Для изменения сопротивления одного из плечей мостика Ч. Уитстон применил регулируемые резисторы, которые он назвал «реостатами». Позднее, в 1860 г., Вернер Сименс сконструировал магазин сопротивлений.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

В1853 г. Герман Людвиг Гельмгольц ввел в теорию цепей известный ранее в физике принцип суперпозиции, на основе которого были построены важные теоремы электрических цепей, включая теорему об эквивалентном источнике (Гельмгольца – Тевенена). Гельмгольц же впервые получил уравнение переходного процесса в цепи при ее подключении к источнику, рассмотрел постоянные времени электрической цепи.

Выдающийся английский ученый Уильям Томсон (1824–1907), (в 1892 г. за научные заслуги получил титул барона Кельвина) в 1853 г. дал расчет колебательного процесса и установил связь между частотой собственных колебаний, индуктивностью и емкостью.

Д. К. Максвеллом был разработан метод контурных токов, доказана теорема взаимности. Постепенно формировался практически весь арсенал методов расчета (включая эквивалентные преобразования) цепей постоянного тока.

После открытия электромагнитной индукции внимание ученых в значительной степени переключилось с гальванических токов (когда главными объектами исследований были сами гальванические элементы, процессы электролиза) на индукционные токи: наибольший интерес стали вызывать явления электромагнетизма, в изучении которых особая роль принадлежит Э. Х. Ленцу

(рис. 2.19) [9, 11, 15].

В докладе Петербургской академии наук 29 ноября 1833 г. Э. Х. Ленц, находясь под боль-

шим впечатлением от работ по электромагнитной Рис. 2.19. Э. Х. Ленц индукции М. Фарадея, дал свою знаменитую фор-

мулировку закона, названного его именем: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что он мог бы обусловить, в случае неподвижности данного проводника, его перемещение в противоположную сторону, причем предполагается, что такое перемещение может происходить только в направлении движения или в направлении, прямо противоположном» (рис. 2.20). Очевидно, что в этой формулировке заключена и идея обратимости электрических машин, развитая позднее Б. С. Якоби.

Э. Х. Ленц был одним из основоположников теории магнитоэлектрических машин. Ему принадлежит открытие и объяснение явления реакции якоря (1847) и установление необходимости сдвигать щетки с геометрической нейтрали; он впервые изучил смещение фазы тока относительно фазы напряжения (1853), изобрел коммутатор для изучения формы кривой индуцированного тока (1857). Им было установлено условие режима максимальной полезной мощности источника энергии, когда внутреннее сопротивление источника равно сопротивлению внешней цепи. Широко известна работа Э. Х. Ленца по тепловому действию тока (1842–1843), которая была выпол-

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

мости от направления тока. Ленц подтвердил выводы Пельтье и, пропустив ток через спай висмута и сурьмы, заморозил воду, окружающую спай

(рис. 2.23).

ний, в частности создания электромагнитной теории Д. К. Максвелла. Первые дифференциальные уравнения поля были записаны Д. К. Максвеллом

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.1.Этапы развития электротехники

в1855–1856 гг. В 1864 г. он дал определение электромагнитного поля и заложил основы его теории.

Заслуга Д. К. Максвелла состоит в том, что, использовав накопленный до него громадный экспериментальный материал, он обобщил и развил прогрессивные идеи М. Фарадея, придав им стройную математическую форму.

Всвоем труде «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873) Д. К. Максвелл изложил основы разработанной им теории поля, являющейся краеугольным камнем современного учения об электромагнетизме. Важнейшие результаты своих исследований Д. К. Максвелл сформулировал в виде знаменитых уравнений, получивших его имя. Д. К. Максвелл обобщил закон электромагнитной индукции, распространив его на произвольный контур в любой среде. Он ввел понятия «электрическое смещение» и «токи смещения», установил принцип замкнутости тока. Одним из важнейших выводов Д. К. Максвелла является утверждение о том, что магнитное и электрическое поля тесно связаны и изменение одного из них вызывает появление другого. Исследования показали, что скорость распространения подобных электромагнитных возмущений совпадает со скоростью света. Этот вывод был положен в основу электромагнитной теории света, разработанной Д. К. Максвеллом и являющейся одним из выдающихся теоретических обобщений естествознания.

Д. К. Максвелл не дожил до торжества своих глубоких научных идей и обобщений. Он сам еще не мог во всей полноте представить значение всего того, что содержалось в его «Трактате об электричестве и магнетизме», и того, что из него вытекало. Позднее немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) экспериментально доказал существование электромагнитных волн.

Важное значение в развитии представлений о движении энергии имели работы профессора Николая Алексеевича Умова (1846–1915), среди которых особого внимания заслуживает его докторская диссертация «Уравнения движения энергии в телах» (1874). Идеи Н. А. Умова получили дальнейшее развитие, в частности, в трудах английского физика Джона Генри Пойнтинга (1852–1914) применительно к электромагнитному полю (1884).

2.2. Первыеэлектрическиемашины

2.2.1. Электрическиедвигатели

Важнейшими научными предпосылками возникновения электромеханики послужили достижения в области электродинамики и открытие электромагнитной индукции. Важную роль при разработке первых конструкций электрических машин и электромагнитных устройств сыграл и опыт конструирования машин и механизмов доэлектрического периода.

В связи с тем что принцип обратимости электрической машины был открыт только в 1830-х гг., а его широкое использование началось лишь

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

с1870-х гг., представляется вполне правомерным рассматривать отдельно историю создания электродвигателя и генератора в период до 1870 г. А поскольку единственным надежным и изученным источником электроэнергии до середины XIX в. был только гальванический элемент, то, естественно, первыми стали развиваться электрические машины постоянного тока.

Вразвитии электродвигателя постоянного тока можно отметить три основных этапа, впрочем, достаточно условных, так как конструкции и принципы действия электродвигателей, характерные для одного этапа, в отдельных случаях появлялись вновь спустя много лет. Вместе с тем более поздние и более прогрессивные конструкции в зачаточной форме нередко можно найти в первоначальном периоде развития электродвигателя. Для характеристики каждого этапа совершенствования электродвигателя в дальнейшем изложении рассматриваются только наиболее типичные конструкции.

Начальный период развития электродвигателя (1821–1834) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую и начинается с описанных выше опытов М. Фарадея (см. рис. 2.17).

На возможность превращения электрической энергии в механическую указывали и многие другие эксперименты. В этот период было создано несколько физических моделей электродвигателей: английскими учеными Петером Барлоу (1824), Уильямом Риччи (1833) и Джозефом Генри (1831). Прибор Дж. Генри интересен тем, что в этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получения непрерывного движения (в данном случае

– качательного). Мощность двигателей подобного типа была очень небольшой (0,044 Вт), и, конечно, они не могли использоваться на практике.

Как на первом этапе, так и позднее было предложено много конструкций двигателей с качательным движением якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки построить электродвигатель с вращательным движением якоря.

Второй этап раннего развития электрических двигателей (1834–1860) характеризуется преобладанием конструкций с вращательным движением явнополюсного якоря. Вращающий момент на валу у таких двигателей обычно был пульсирующим.

Наиболее характерные и существенно важные работы по конструированию такого рода электродвигателей принадлежат Борису Семеновичу Яко-

би (1801–1874) [9, 15, 16].

В1834 г. Б. С. Якоби (рис. 2.24) послал в Парижскую академию наук сообщение об изобретенной им «магнитной машине». Более полное описание электродвигателя Б. С. Якоби было опубликовано в 1835 г.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

Представляют интерес некоторые высказывания Б. С. Якоби, в которых он определяет свой подход к изобретению электродвигателя: «В мае 1834 г. я построил свой первый магнитный аппарат, дающий постоянное круговое движение, но я не мог сначала отрешиться от идеи получить воз- вратно-поступательное движение, производимое последовательным притягивающим и отталкивающим действием магнитных стержней, а затем уже превратить это возвратно-поступательное движение в постоянное круговое известным в тех-

нике способом. Мне казалось, что такой прибор Рис. 2.24. Б. С. Якоби будет не больше чем забавной игрушкой для обогащения

физических кабинетов. Все эти соображения заставили меня окончательно отказаться от попытки построить аппарат, получающий возвратно-поступа- тельное движение».

Сомнения Б. С. Якоби легко объяснимы: привычный паровой двигатель давал возвратно-поступательное движение, и, конечно, хотелось построить новый, электрический двигатель, дающий такое же «нормальное» движение. Современные работы в области линейных электродвигателей свидетельствуют о том, что сама идея поступательного движения в электрических машинах не является порочной, но техническую революцию совершили машины вращательного движения.

Внешний вид первого двигателя Б. С. Якоби показан на рис. 2.25. Этот электродвигатель работал по принципу взаимодействия двух комплектов электромагнитов, один из которых располагался на подвижной раме, другой

– на неподвижной. В качестве источника питания электромагнитов применялась батарея гальванических элементов. Для изменения полярности подвижных электромагнитов использовался коммутатор (рис. 2.26), который представлял собой оригинальную часть устройства электродвигателя Якоби. Конструктивно он состоял из четырех металлических колец 1–4, установленных на валу и изолированных от него; каждое кольцо имело четыре выреза по одной восьмой части окружности. Вырезы заполнялись изолирующими вкладками; каждое кольцо было смещено на 45° по отношению к предыдущему. По окружности кольца скользил рычаг 5, представлявший собой своеобразную щетку; второй конец рычага был погружен в соответствующий сосуд с ртутью 6, к которому подводились проводники от батареи. Таким образом, при каждом обороте кольца 4 раза разрывалась электрическая цепь. От колец к электромагнитам вращающегося диска подходили проводники, укрепленные на валу машины. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы I были соединены последовательно, и ток в них имел одно и то же направление. Обмотки электромагнитов вращающегося диска II были также соединены последовательно, но направление тока в них с помощью коммутатора из-

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

менялось 8 раз за один оборот вала. Следовательно, полярность этих электромагнитов также изменялась 8 раз за один оборот вала и они поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы. На рис. 2.26 стрелками указаны направления токов для данного положения вала. Мощность двигателя составляла примерно 15 Вт.

Б. С. Якоби пришлось затратить еще несколько лет труда и проявить редкую изобретательность, чтобы осуществить хотя бы в скромных масштабах свое желание «посвятить все свое время и всю свою энергию этому делу именно теперь, когда не остается больше никаких сомнений в успехе задуманного, и не только для того, чтобы не отказываться от своих прежних трудов, но и для того, чтобы мое новое отечество, с которым я уже связан многими узами, не лишилось возможности сказать, что Нева раньше Темзы или Тибра покрылась судами с магнитными двигателями». Эти слова он написал в записке министру просвещения и президенту Российской академии наук, прося у него материальной помощи для экспериментов. Широкой поддержки у министра Б. С. Якоби не нашел, тем не менее четыре года спустя, в 1838 г., по р. Неве курсировал бот, вмещавший 12 пассажиров и приводимый в движение электродвигателями Б. С. Якоби.

Рис. 2.25. Внешний вид двигателя Якоби

а б

Рис. 2.26. Коммутатор (а) и схема коммутации (б) электродвигателя Якоби

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

Это был уже совсем другой двигатель, и конструкция его точно отражала типичные пути изобретательской мысли: поскольку не был еще создан принципиально новый экономичный и малогабаритный электрический двигатель, то Б. С. Якоби пошел по пути объединения многих машин с электромагнитами, имеющими сосредоточенные катушечные обмотки, в один агрегат. Сначала это был так называемый сдвоенный двигатель первого типа. Он имел 24 неподвижных электромагнита (по 12 с каждой стороны), а между ними вращающийся диск с 12 электромагнитами. К 1838 г. Б. С. Якоби создал двигатель нового типа (второго типа), но в создании этой конструкции он уже был не первым.

В1837 г. американский техник Томас Девенпорт (1802–1851) также построил электродвигатель с непосредственным вращением якоря, в котором взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными постоянными магнитами [5, 17].

Сравнивая конструкции электродвигателей Б. С. Якоби и Т. Девенпорта, можно отметить, что принцип их действия одинаков (у двигателя Т. Девенпорта появились неподвижные постоянные магниты вместо электромагнитов двигателя Б. С. Якоби), но двигатель Т. Девенпорта был более ком- пакт-ным благодаря расположению подвижных и неподвижных частей в одной плоскости. Это обстоятельство не могло не привлечь внимания Б. С. Якоби, стремившегося увеличить мощность своего электродвигателя при сравнительно небольшом увеличении его габаритов.

В1837 г. в распоряжение Б. С. Якоби был предоставлен бот, рассчитанный на 10 гребцов. На нем предполагалось установить электродвигатель

ипроизвести затем соответствующие испытания и технико-экономические подсчеты. В процессе совершенствования двигателя Б. С. Якоби пошел по пути конструктивного объединения на общем вертикальном валу нескольких электродвигателей в один агрегат, расположив неподвижные и вращающиеся магниты в одной плоскости. При этом увеличивались размеры электродвигателя в вертикальном направлении, что было вполне удобно для опытной судовой установки.

Двигатель Б. С. Якоби конструкции 1838 г. представлял собой комбинацию 40 небольших электродвигателей (рис. 2.27), объединенных по 20 штук на двух вертикальных валах, установленных в деревянной станине. Для питания током обмоток электромагнитов на боте были установлены гальванические элементы. Изменение направления тока в обмотках подвижных электромагнитов осуществлялось коммутаторами. Вращение от вертикальных валов с помощью конических шестерен передавалось на горизонтальный вал, на котором укреплялись гребные колеса, расположенные по обоим бортам бота.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

Испытания показали возможность практического применения электродвигателей, но в то же время обнаружили, что при питании их током от гальванических батарей механическая энергия получается чрезмерно дорогой: 1 л. с. в двигателе Б. С. Якоби обходилась в 12 раз дороже, чем в случае паровой машины.

Необходимо отметить, что для преодоления основного недостатка гальванических батарей – малой энергоемкости – требовалось использовать очень много элементов, а это требование для многих транспортных установок было неприемлемым. Так, например, на боте Б. С. Якоби вначале было установлено 320 гальванических элементов. Произведенные опыты, а также теоретическое исследование привели Якоби к очень важному для практики выводу: применение электродвигателей находится в прямой зависи-

мости от стоимости электроэнергии, т. е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические батареи.

Однако Б. С. Якоби не смог обнаружить принципиального недостатка двигателей со стержневыми электромагнитами: в этих двигателях происходит постоянное включение и выключение катушек, и магнитное поле то создается, то исчезает. На создание поля в машине непрерывно требуется электрическая энергия, которая при отключении катушек преобразуется в теплоту. Поэтому по логике развития вскоре должны были появиться непрерывные обмотки, которые обеспечивают электромеханическое преобразование энергии в установившемся режиме без изменения энергии магнитного поля.

Рассмотренные электродвигатели действовали по принципу взаимного притяжения и отталкивания магнитов или электромагнитов, вращающий момент на валу отличался непостоянством, и в связи с попеременными притяжениями и отталкиваниями стержневых якорей действие таких электродвигателей было пульсирующим. При столь резких и частых изменениях вращающего момента и при указанных выше низких технико-экономических показателях подобных электродвигателей их применение в системе электропривода представлялось малоперспективным.

Некоторые электродвигатели, построенные в 40–60-х гг. XIX в., были основаны на принципе втягивания стального сердечника в соленоид. Получившееся при этом возвратно-поступательное движение преобразовывалось посредством балансира или шатунно-кривошипного механизма во враща-

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

тельное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами.

Новый этап в развитии электродвигателей постоянного тока связан

сразработкой конструкций, содержащих непрерывную обмотку на якоре. Конструктивно якорь выполнялся сначала в виде кольца или полого цилиндра с обмоткой кольцевого типа, когда провод при намотке пропускался через внутреннюю полость, затем стали выполнять цилиндрические сердечники

собмоткой барабанного типа, когда провод размещался только на наружных поверхностях сердечника. В обоих случаях линии магнитного потока входили в сердечник якоря перпендикулярно поверхности цилиндра, а не в торец, как при стержневом якоре.

Первым конструкцию кольцевого якоря предложил в 1860 г. студент (впоследствии профессор) Пизанского университета Антонио Пачинотти

(1841–1912) (рис. 2.28).

Электродвигатель А. Пачинотти состоял из якоря кольцеобразной формы, вращавшегося в магнитном поле электромагнитов (рис. 2.29). Якорь, имевший форму стального кольца с зубцами (наличие зубцов уменьшало магнитное сопротивление и облегчало крепление обмотки) и латунными спицами, укреплялся на вертикальном валу. На кольце между зубцами якоря наматывались катушки, концы которых подводились к пластинам коллектора, расположенного на нижней части вала. Подвод тока к пластинам коллектора осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов, снабженных полюсными наконечниками, включалась последовательно с обмоткой якоря, т. е. согласно современной терминологии машина имела последовательное воз-буждение.

Вращающий момент в электродвигателе А. Пачинотти был практически постоянным. Габариты двигателя были невелики по сравнению с размерами других электродвигателей равной мощности. Основное значение работы А. Пачинотти состоит в том, что им был сделан следующий важный шаг на пути создания современной машины постоянного тока: явнополюсный якорь заменен неявнополюсным. К этому следует еще добавить удобную схему возбуждения и коллектор, по существу, современного типа.

Важно отметить, что А. Пачинотти указывал, что его машина может быть превращена в генератор, если заменить электромагниты, возбуждающие поле, на постоянные магниты.

Из приведенных рассуждений следует, что А. Пачинотти отчетливо понимал физические процессы в электродвигателе и пришел к мысли об обратимости электрической машины, еще не зная принципа самовозбуждения, поэтому и считал нужным при превращении двигателя в генератор заменить электромагниты постоянными магнитами.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

В 1863 г. А. Пачинотти опубликовал сведения о конструкции своего электродвигателя, но на эту публикацию не было обращено достаточного внимания и изобретение было на время забыто. Несмотря на большой интерес с принципиальной точки зрения, двигатель не получил распространения, так как по-прежнему отсутствовал экономичный генератор электрической энергии. Идею кольцевого якоря возродил примерно через 10 лет французский конструктор Зеноб Теофил Грамм (1826–1901) в конструкции электромашинного генератора. В 1873 г. немецкий изобретатель Фридрих ХёфнерАльтенек (1845–1904) изобрел барабанный якорь, применяющийся в электрических машинах до настоящего времени.

Особо следует остановиться на открытии принципа обратимости электрических машин. Сама логика исследований Б. С. Якоби, относящихся к его электродвигателю, должна была подтолкнуть его в начале 30-х гг. XIX в. к этому открытию. И еще вероятно, не зная о работах своего выдающегося современника и будущего друга академика Э. Х. Ленца, в мемуарах 1835 г. Б. С. Якоби писал: «Будучи приведенной во вращение магнетизирующей силой гальванического тока, машина эта является одновременно аппаратом, состоящим из перемещающихся магнитов, способных производить магнитоэлектрический ток в направлении, противоположном гальваническому току». Однако право первооткрывателя важнейшего принципа электрической машины – принципа обратимости – бесспорно принадлежит Э. Х. Ленцу. В докладе Петербургской академии наук, сделанном 29 ноября 1833 г. и опубликованном в известнейшем в то время журнале Poggendorff”s Annalen в 1834 г., этот принцип представляется в виде следствия из сформулированного здесь же закона, обессмертившего имя великого физика, – закона Ленца. Более четко принцип обратимости был еще раз сформулирован Э. Х. Ленцем в статье «О некоторых опытах из области гальванизма», где было записано: «Каждый электромагнитный опыт может быть обращен таким образом, что он приведет к соответствующему магнитоэлектрическому опыту. Для этого

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

нужно только сообщить проводнику гальванического тока каким-либо иным способом то движение, которое он совершает в случае электромагнитного опыта, и тогда в нем возникнет ток направления, противоположного направлению тока в электромагнитном опыте».

2.2.2. РазвитиемашинпостоянноготокавСССР

Без существенного изменения конструктивных черт машины постоянного тока к 1930-м гг. стали более мощными, значительно расширился диапазон регулирования их частоты вращения. Как правило, машины постоянного тока создавались по индивидуальным проектам либо небольшими партиями.

В1930–1931 гг. в СССР была поставлена задача создания единых серий электрических машин. При проектировании был использован опыт, накопленный к тому времени на наших заводах, по расчету, конструированию

итехнологии производства электрических машин, а также по привлечению к работе лучших специалистов вузов и научно-исследовательских институтов. Значительную научно-теоретическую, исследовательскую и организаторскую работу по производству серий машин постоянного тока и асинхронных двигателей с различными системами охлаждения провел академик М. П. Костенко в качестве шеф-электрика Харьковского электромашиностроительного завода (ХЭМЗ). В основу проектирования серий был положен геометрический ряд машин, подобных в отношении их электрических, тепловых и вентиляционных характеристик. Основополагающие принципы проектирования серий были отражены в монографии В. А. Трапезникова [15, 18].

В1932 г. советские машиностроители разработали и освоили первые серии машин постоянного тока: ПН мощностью до 200 кВт и МП 550 мощностью свыше 200 кВт. Эти серии отличались меньшей массой, лучшим использованием активных материалов, закономерно изменяющимися показателями и удовлетворяли всем требованиям научной методологии проектирования. Об этом свидетельствует тот факт, что серия ПН, созданная как временная, просуществовала в производстве свыше 30 лет.

В1954–1956 гг. была разработана первая единая серия П машин постоянного тока 1–11-го габаритов мощностью 0,3–200 кВт и частотой вращения 1500 об/мин, а затем единая серия П машин 12–17-го габаритов мощностью свыше 200 кВт. Впервые в стране для двигателей постоянного тока была применена твердая шкала мощностей с фиксированными значениями частот вращения; на базе основного исполнения разработана широкая номенклатура как электрических, так и конструктивных модификаций с высоким уровнем унификации деталей и сборочных единиц. Двигатели имели улучшенные динамические характеристики: момент инерции якоря по сравнению с двигателями серии ПН ниже в среднем на 34 %.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

Возросшие технические требования к машинам постоянного тока были удовлетворены после разработки новой единой серии 2П машин постоянного тока мощностью до 200 кВт, которая была осуществлена под руководством В. А. Кожевникова во ВНИИэлектромаше (Ленинград) в 1968–1972 гг. в сотрудничестве с Прокопьевским (И. А. Волкомирский) и Харьковским (Ю. П. Сердюков) заводами «Электромашина». При разработке серии не только были решены задачи повышения технического уровня машин (повышения мощности в габарите, снижения удельной массы на 10 %, момента инерции якоря на 22 %), но и осуществлена стандартизация установочноприсоединительных размеров в соответствии с рекомендациями МЭК, обеспечена возможность питания электродвигателей от тиристорных преобразователей. Был сделан переход к оценке габаритов по значениям высот осей вращения. Изменилось соотношение основных размеров машины, впервые были созданы электродвигатели с отношением длины якоря к его диаметру выше единицы, что позволило удовлетворить требования заказчиков по встраиваемости электродвигателя в механизмы станков.

В 1976–1978 гг. была разработана, а затем внедрена в производство на электромашиностроительных заводах «Электросила» (В. М. Миничев)

иХЭМЗ (М. Н. Курочкин) серия электродвигателей П2 12–15-го габаритов.

Сучетом требования современного быстродействующего тиристорного электропривода магнитная система электродвигателей была выполнена шихтованной, а корпус – восьмигранным, применены изоляция на основе полиимидных и полиамидных материалов класса нагревостойкости Г и электротехническая сталь улучшенных марок. Масса электродвигателей серии П2 снижена в среднем на 21 %, момент инерции якоря – на 45 %. Особое внимание было уделено повышению надежности электродвигателей. На базе двигателей серии П2 разработана специализированная серия экскаваторных генераторов 2ГПЭ мощностью 75–630 кВт, которая была освоена в производстве на Карпинском электромашиностроительном заводе.

В1980-х гг. во ВНИИэлектромаше (В. А. Кожевников, В. Н. Антипов, Л. В. Гамаюнов) была решена задача создания серии 4П машин постоянного тока, которая заменяла все ранее выпускавшиеся на заводах отрасли серии машин постоянного тока, с одновременным снижением трудоемкости их изготовления путем внедрения современного технологического оборудования.

Кразработке серии было привлечено свыше 20 организаций, в том числе специалисты Всесоюзного научно-исследовательского института технологии

электромашиностроения (ВНИИТэлектромаш, г. Харьков) во главе с В. Г. Костроминым для разработки специализированного технологического оборудования.

Серия 4П включает в себя общепромышленные двигатели с нормальными регулировочными свойствами (габариты – 80–280 мм), широкорегулируемые двигатели 4ПБ закрытого исполнения (габариты – 80–180 мм), широкорегулируемые двигатели 4ПФ специализированного назначения с незави-

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

симой вентиляцией (габариты – 112–250 мм) и крупные двигатели для тяжелых условий эксплуатации (габариты – 280–450 мм).

В электродвигателях габаритов 80–112 мм завода «Псковэлектромаш» реализована нетрадиционная, унифицированная с асинхронными двигателями конструкция с распределенной обмоткой статора, что позволило освоить механизированную технологию производства обмоток и использовать технологическое оборудование, разработанное для массового выпуска асинхронных двигателей. При этом трудоемкость изготовления снижена в 2–3 раза, достигнута существенная экономия обмоточной меди.

Для приводов главного движения станков и автоматизированного оборудования ВНИИэлектромаш (Ленинград) разработал специальные бескорпусные электродвигатели постоянного тока 4ПФ, оснащенные датчиками скорости, положения, системами температурной защиты и принудительной вентиляции. Электродвигатели выполнены в габаритах 112–250 мм с n-гран- ной шихтованной станиной, обладают диапазоном регулирования частоты вращения при постоянной мощности не менее чем 1 : 4, высокими значениями удельной мощности и хорошими эргономическими показателями.

Крупные электродвигатели серии 4П (габариты – 280–450 мм) по сравнению с аналогичными машинами серии П2 имеют увеличенный в 1,6 раза вращающий момент, большую в 1,5–2 раза единичную мощность и выше на 30–50 % максимальную частоту вращения. Для серии проведена максимальная унификация конструкции и уменьшено количество типоисполнений, что привело к повышению уровня механизации производства и к снижению себестоимости изготовления. На базе крупных двигателей серии 4П развивается экскаваторное электромашиностроение, а также выпускаются электрические машины для нефтебуровых установок.

Пионером советского тягового электромашиностроения был завод «Электрик» (Санкт-Петербург), который в начале 1924 г. изготовил десять двигателей мощностью 110 кВт при частоте вращения 660 об/мин для тепловоза с электрической передачей системы профессора Я. М. Гаккеля. В том же году на заводе «Электросила» была выпущена разработанная под руководством А. Е. Алексеева серия ПТ трамвайных двигателей пяти модификаций на мощности от 33 до 54,5 кВт, напряжением 550 В и частотой вращения 560–600 об/мин. Серия имела высокий КПД и хорошие массогабаритные показатели. В 1928 г. производство тягового оборудования было сосредоточено на специально приспособленном для этого московском заводе «Динамо». Применительно к разнообразным нуждам тягового хозяйства страны завод разработал ряд серий и типов тяговых электродвигателей: мощностью от 320 до 450 кВт с напряжением на коллекторе 750 и 1500 В – для магистральных электровозов; мощностью от 23,5 до 250 кВт с напряжением на коллекторе 230, 600, 750 В – для промышленных электровозов; смешанного возбуждения – для рудничных электровозов и трамваев; двигатели различных типов для пригородных железных дорог, метрополитена, троллейбуса, тепловозов.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

В успешном освоении этих серий несомненная заслуга принадлежит А. Б. Иоффе.

Впослевоенные годы центром электровозостроения стал Новочеркасский электровозостроительный завод (НЭВЗ), который осуществил серийный выпуск электровозов, оснащенных тяговыми двигателями своего изготовления.

В1957 г. вступил в строй электровозостроительный завод в г. Тбилиси (ТЭВЗ). Тяговые двигатели для электропоездов стал выпускать также Рижский электромеханический завод (РЭЗ).

Если для магистральных железных дорог применяются электровозы, то для дорог меньшей протяженности и неэлектрифицированных используются тепловозы. Выпуск электрооборудования для тепловозов был освоен на харьковском заводе «Электротяжмаш». В состав оборудования входили генераторы и тяговые электродвигатели серий ГП и ЭД соответственно. Главными конструкторами здесь были В. Е. Верхогляд и О. Р. Мандрыка.

Принципиально новые тяговые двигатели для городского транспорта были спроектированы на заводе «Динамо» и начали внедряться в производство в 1946–1948 гг. Их конструкция была в значительной степени унифицирована, серия из двух типоразмеров включала двигатели для трамвая, троллейбуса, метрополитена, а также генератор и двигатель для автобуса с электрической трансмиссией. Для новых двигателей трамвая и метрополитена вместо осевой была применена независимая подвеска, при которой полностью подрессоренный тяговый двигатель не испытывает значительных усилий, вызываемых неровностями пути. Независимая подвеска позволила почти в 2 раза увеличить передаточное число редуктора, повысить частоту вращения двигателей и снизить их массу.

Следующим этапом развития тягового электромашиностроения городского транспорта в СССР следует считать модернизацию серии, проведенную в 1974–1977 гг. Для троллейбуса и метрополитена были созданы новые двигатели с восьмигранной формой корпуса в поперечном сечении и петлевой обмоткой на якоре, что позволило резко повысить их мощность и обеспечить эффективное торможение подвижного состава при максимальной скорости движения. Мощность трамвайных двигателей также была повышена, появилась возможность использовать их на подвижном составе с тири- сторно-импульсной системой управления, что привело к увеличению частоты вращения на 10–15 % и экономии электроэнергии на 3–5 %. Достигнутые результаты получены благодаря применению новых изоляционных материалов для обмотки якоря, введению вакуумно-нагнетательной пропитки в кремнийорганическом компаунде, а также использованию холоднокатаной изотропной электротехнической стали с изоляционным покрытием, нового материала коллектора и новой марки щеток.

В1970-е гг. на базе новых технологий и материалов была создана серия совершенно новых тяговых двигателей, предназначенных для встраивания

впневматические колеса большегрузных автосамосвалов грузоподъемностью

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

75–180 т. Производство этих двигателей и трамвайного двигателя с завода «Динамо» было передано на новый завод «Татэлектромаш» в г. Набережные Челны. Освоение двигателей было проведено под руководством А. Д. Григоровича.

На заводе «Динамо» еще с 1930-х гг. выпускались серии крановометаллургических и экскаваторных электродвигателей постоянного тока. В 1975 г. была разработана и внедрена в производство новая серия крановометаллургических двигателей, которая по техническим данным и габаритноустановочным размерам соответствует нормам МЭК.

Еще до войны производство крупных машин постоянного тока было сосредоточено на заводах «Электросила» и ХЭМЗ и развивалось ускоренными темпами. На заводе «Электросила» в предвоенные годы было изготовлено свыше 200 единиц крупных электрических машин постоянного тока общей мощностью около 350 тыс. кВт. Из числа наиболее крупных поставок следует отметить электродвигатели для привода блюмингов (5150 кВт, 750 В, 50/120 об/мин) и слябингов (3700 кВт, 750 В, 50/100 об/мин; 1850 кВт, 750 В, 100/270 об/мин) и генераторы единичной мощностью 3500 кВт. ХЭМЗ совместно с заводом «Электросила» также освоил новую серию крупных машин постоянного тока мощностью до 7500 кВт с одним якорем.

Разработка серий прокатных реверсивных электродвигателей в диапазоне мощностей от 1850 до 6000 кВт и серии регулируемых электродвигателей в диапазоне от 110 до 4500 кВт с регулированием частоты вращения в пределах 1:3 была продолжена после войны. Завод «Электросила» произвел пересмотр расчетов и конструкций крупных машин постоянного тока с компенсационными обмотками и добился существенного повышения удельной мощности и экономии черных и цветных металлов. Коллектив работников завода в составе В. Т. Касьянова, А. А. Кашина, Р. А. Лютера, И. Н. Рабиновича и Д. В. Шапиро в 1948 г. получил высокую государственную оценку за создание крупных машин постоянного тока.

Важным этапом на пути повышения технического уровня машин постоянного тока явилась разработка в 1957 г. двухъякорного электродвигателя мощностью 19 600 кВт для привода гребных винтов атомного ледокола «Ленин» с двухходовой обмоткой якорей. Изучению особенностей работы двухходовых обмоток было посвящено много теоретических (В. В. Фетисов, П. М. Ипатов) и экспериментальных (О. Г. Вегнер) работ, в результате которых были предложены рекомендации, позволившие заводу «Электросила» внедрить двухходовые обмотки якоря. Таким образом было преодолено ограничение мощности машины постоянного тока по значению допустимого напряжения между смежными пластинами. В 1958 г. был изготовлен электродвигатель мощностью 8840 кВт, напряжением 900 В, частотой вращения

65/90 об/мин, в 1977 г. – соответственно 12500 кВт, 930 В, 63/90 об/мин,

а в 1985 г. – 10 000 кВт, 750 В, 32/63 об/мин. В итоге рост мощности реверсивного прокатного двигателя привел к реализации самого большого (в то время) в мире вращающего момента 300 Н·м.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

Значительный прогресс был достигнут в создании двухъякорных двигателей мощностью 11000–14000 кВт для электропривода нереверсивных прокатных станов. Характерными для этих машин, имеющих сравнительно высокую частоту вращения, являются показатель предельности, равный произведению мощности на частоту вращения, и коэффициент регулирования магнитного потока. Самый мощный из выпущенных нереверсивных прокатных электродвигателей мощностью 14 200 кВт с частотой вращения 200 об/мин имеет показатель предельности 5,8·106 кВт·об/мин на один якорь. Необходимо отметить, что за рубежом двигатели для аналогичных прокатных станов изготовлялись трехъякорными даже при меньшей мощности. Дальнейшее повышение показателя предельности было возможно при переходе на трехходовые обмотки якоря. В 1973–1974 гг. были проведены исследования двух опытных машин с трехходовыми петлевыми обмотками, а в 1975– 1976 гг. – опытной двухъякорной машины мощностью 25 МВт с частотой вращения 750 об/мин, которые создали основу для изготовления уникального агрегата, состоящего из четырех двухъякорных электродвигателей постоянного тока такого типа с трехходовыми обмотками, соединенными на валу последовательно, что позволило получить мощность 100 МВт при частоте вращения 750 об/мин (рис. 2.30).

Гребные винты атомных ледоколов «Сибирь», «Арктика» и «Россия» оснащены электродвигателями мощностью 2×8800 кВт, напряжением 1000 В и частотой вращения 130/185 об/мин.

Рис. 2.30. Электродвигательный агрегат, состоящий из четырех двигателей постоянного тока типа 2МП 25000–750 (25 МВт, 750 об/мин)

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

Выпускавшийся в 1970-х – начале 1990-х гг. объединением «Электросила» генератор постоянного тока для питания прокатных двигателей мощностью 9500 кВт, напряжением 930 В и частотой вращения 375 об/мин по мощности превосходил все существовавшие типы генераторов постоянного тока как у нас в стране, так и за рубежом. Использование в конструкции генератора новых технических решений обеспечивает равномерное распределение крутящего момента между дисками якоря и гарантированное усилие на главный полюс, способствуя повышению надежности генератора в эксплуатации.

Успехи в производстве крупных машин постоянного тока достигнуты не только объединением «Электросила», но и заводами ХЭМЗ и «Электротяжмаш» (Харьков). На ХЭМЗ под руководством М. Н. Курочкина были разработаны реверсивные двигатели постоянного тока 21–25-го габаритов серии П2 номинальной мощностью до 12500 кВт, а также двигатели постоянного тока 21–25-го габаритов для электроприводов шахтоподъемных машин мощностью 1600–5000 кВт. Помимо обычной конструкции двигателей шахтного подъема с двумя стояковыми подшипниками разработаны и до настоящего времени находятся в эксплуатации двигатели консольного исполнения. При такой конструкции якорь двигателя насаживается на вал барабана шахтного подъемника, что позволяет снизить массу машины в 1,2–1,4 раза.

Крупные машины постоянного тока находят широкое применение для приводов шагающих экскаваторов и роторных комплексов. Они устанавливаются в закрытом неотапливаемом кузове экскаватора и могут работать в заданном режиме при наличии вибрации, крена, воздействия инерционных сил и одиночных ударов. Наиболее интересен электродвигатель мощностью 500 кВт, напряжением 440 В и частотой вращения 32 об/мин, предназначенный для безредукторного привода механизма поворота платформы шагающего экскаватора.

2.2.3. Электрическиегенераторы

Как уже отмечалось, гальванические батареи существенно тормозили практическое применение электродвигателей. Развитие электрических машин наглядно иллюстрирует характерную закономерность в развитии техники вообще. Эта закономерность проявляется в следующем: если развитие какойлибо отрасли техники тормозится недостаточным уровнем развития другой отрасли техники или области науки, то развитие последней ускоряется требованиями первой. Так, если отсутствие экономичного генератора тока сдерживало расширение практических применений электричества, то последние стимулировали, ускоряли работы по созданию более совершенной конструкции генератора.

В развитии электрического генератора постоянного тока можно выделить четыре этапа [5, 17, 19].

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

Впервые приспособление для выпрямления тока в попеременно-полюс- ной машине (в отличие от униполярной машины М. Фарадея, которая не нуждалась в устройстве для выпрямления тока, так как давала непосредственно постоянный ток) было применено в 1832 г. в генераторе французских изобретателей братьев Пиксии. Изобретение представлялось тогда настолько важным, что сообщения о нем были дважды сделаны в Парижской академии наук. В первых конструкциях генераторов для получения тока неизменного направления (но резко пульсирующего) применялось так называемое коромысло Ампера. А. М. Ампер отмечал пластинчатый барабанный коммутатор в машине Пиксии с прижимающимися к амальгамированным поверхностям пластин подпружиненными медными или бронзовыми пластинами – щетками. Позднее он стал основой коммутирующих устройств для всех последующих конструкций генераторов постоянного тока. С машиной Пиксии работал Э. Х. Ленц, и именно на этой машине в 1838 г. он демонстрировал принцип обратимости.

Недостатком машин Р.М. и братьев Пиксии явилось то, что в них приходилось вращать более или менее тяжелые постоянные магниты. Целесообразнее оказалось сделать магниты неподвижными, а заставить вращаться более легкие катушки. При этом проще было выполнить и коммутирующее устройство, вращающаяся часть которого была закреплена на валу вместе с якорем. Магнитоэлектрические генераторы такого типа оказались значительно удобнее и именно в такой конструктивной форме впервые вошли в практику.

Первым генератором, получившим практическое применение, был, как уже отмечалось, магнитоэлектрический генератор Б. С. Якоби. Занимаясь усовершенствованием методов электрического взрывания мин, Б. С. Якоби построил в 1842 г. генератор, названный им «магнитоэлектрической батареей» (рис. 2.32). При вращении катушек 3 зубчатой передачей 5 в поле постоянных магнитов 1 в них наводилась ЭДС; на валу 2 имелось коммутирующее устройство 4 в виде двух полуцилиндров, представлявшее собой простейший двухпластинчатый коллектор. Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов.

Рис. 2.32. Магнитоэлектрический генератор Якоби

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

Рис. 2.33. Общий вид генератора «Альянс»: 1 – ряды неподвижных магнитов; 2 – несущие диски; 3 – коллектор; 4 – катушки-якоря; 5–7 – устройство для смещения

роликовых токоприемников; 8 – роликовые токоприемники; 9 – центробежный регулятор

Стремление повысить мощность магнитоэлектрических генераторов привело к увеличению количества постоянных магнитов. Этот путь отражал уже знакомую из истории развития электродвигателей тенденцию: для увеличения мощности соединять несколько элементарных машин в одну.

Наибольшее распространение в лабораторной практике 40–50-х гг. XIX в. получил магнитоэлектрический генератор немецкого электротехника Э. Штерера (1813–1890) с тремя вращающимися постоянными магнитами (1843). Этот генератор использовался учеными (в том числе Э. Х. Ленцем

иБ. С. Якоби) для исследования процессов в магнитоэлектрических машинах.

Известный толчок к построению более мощных магнитоэлектрических генераторов дали дуговые лампы с регуляторами, получившие применение на маяках в связи с развитием морского транспорта. Еще в 1849 г. профессор физики Брюссельской военной школы Жан Антуан Нолле принялся за построение мощного магнитоэлектрического генератора для установки на маяках, избрав уже проторенный путь комбинирования в одном агрегате большого числа машин. Работы Нолле были продолжены другими учеными,

ик 1856 г. машина получила свое конструктивное завершение. Для производства таких генераторов в Париже была организована электропромышленная компания «Альянс» (отсюда произошло и название новой машины). Первая такая машина была установлена на маяке близ г. Гавра.

Вгенераторе «Альянс» (рис. 2.33) на чугунной станине были укреплены в несколько рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные по окружности и радиально по отношению к валу. В промежутках между

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

рядами магнитов на валу устанавливались диски с большим числом катушекякорей. В машине было 40 магнитов и 64 стержня (явнополюсных якоря). Различные варианты машины «Альянс» имели разное количество рядов магнитов (три, пять, семь). На валу генератора укреплен коллектор с 16 металлическими пластинами, изолированными друг от друга и от вала машины. В качестве коллекторных щеток служили специальные ролики. В машине впервые было предусмотрено устройство для смещения роликов в зависимости от нагрузки. Перемещение роликов происходило под действием тяг, идущих от центробежного регулятора, который был связан с валом машины.

В1857–1865 гг. в эксплуатации было около 100 машин «Альянс». Для привода одной такой машины требовался паровой двигатель мощностью 610 л. с. Масса шестидисковой машины «Альянс» доходила до 4 т. Есть сведения, что машина «Альянс» получила одобрение М. Фарадея.

Генератор «Альянс» нагляднее, чем другие, меньшие по размерам машины, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлектрическим машинам. Материалы и технология производства постоянных магнитов были еще несовершенными. Под действием реакции якоря, в результате естественного старения и возможных вибраций магниты быстро размагничивались, в связи

счем ЭДС генератора уменьшалась и его мощность снижалась. Во всех этих машинах применялись стержневые якоря, имевшие многослойную обмотку. При работе они быстро нагревались вследствие плохого отвода теплоты, что приводило к разрушению изоляции. Масса и габариты магнитоэлектрических генераторов, несмотря на их небольшую мощность, были весьма значительными, и крупные машины были сравнительно дорогими. Принципиальным недостатком машин с явнополюсными якорями явилось то, что они давали резко пульсирующий ток.

Второй этап в развитии электрического генератора постоянного тока условно можно обозначить периодом с 1851 по 1867 г. Этот этап характеризуется преимущественным конструированием генераторов с независимым возбуждением, т. е. с возбуждением электромагнитов от постороннего, независимого источника. Это способствовало значительному улучшению работы генераторов и уменьшению их относительной массы.

Впервые обоснованное указание на целесообразность замены постоянных магнитов электромагнитами дали в начале 50-х гг. XIX в. немецкий ученый Вильгельм Зинстеден (1803–1891) и датский изобретатель Серено Хиорт (1801–1870), но их идеи и конструкции были настолько необычны и неожиданны, что вначале не привлекли к себе должного внимания.

Вкачестве характерного примера генератора с электромагнитами, обмотки которых питались токами от независимого источника, может быть указан генератор англичанина Генри Уайльда (1863). Этот генератор (рис. 2.34) имел П-образный электромагнит 1, для питания которого был приспособлен отдельный возбудитель – небольшой магнитоэлектрический генератор 2. Вместо обычно применявшегося стержневого якоря Г. Уайльд использовал предложенный в 1856 г. известным немецким электротехником

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

ипредпринимателем Вернером Сименсом (1816–1892) якорь с сердечником двутаврового сечения (так называемый двух-Т-образный якорь), который является разновидностью явнополюсного якоря. Этот якорь имел форму вала с продольными выточками, в которые укладывалась обмотка. Машина с двух- Т-образным якорем обладала меньшим магнитным рассеянием, чем со стержневым, но в то же время этот якорь, как и стержневой, имея многослойную обмотку с плохим теплоотводом, сильно нагревался и тем самым ограничивал мощность установки.

Машина Г. Уайльда подготовила конструкторскую мысль к созданию генераторов с самовозбуждением.

Началом третьего этапа в развитии генераторов постоянного тока условно можно считать 1867 г., когда почти одновременно в разных странах был установлен принцип самовозбуждения. Мы пишем «условно» потому, что одну какую-то дату назвать невозможно: вокруг этого важнейшего в истории электрических машин изобретения разгорелся большой спор о приоритете. На первенство претен-

Рис. 2.34. Генератор Уайльда довали очень известные ученые и изобретатели.

Дело обстояло так. В январе 1867 г. В. Сименс представил в Берлинскую академию наук доклад, в котором изложил сущность принципа самовозбуждения. В докладе были такие слова: «Однако того небольшого количества магнетизма, которое остается даже в самом мягком железе, достаточно, чтобы при возобновлении вращения снова получить в замкнутой цепи непрерывное возрастание тока. Следовательно, достаточно один раз пропустить ток в цепь обмотки неподвижного магнита, чтобы сделать прибор способным давать ток при каждом возобновлении вращения». В. Сименс назвал принцип самовозбуждения «динамоэлектрическим», а самовозбуждающийся генератор стал с тех пор называться динамо-машиной. Впрочем, динамо-машиной постепенно стали называть любой машинный генератор постоянного тока.

Почти одновременно с В. Сименсом с идеей самовозбуждения выступили и даже получили патенты английские изобретатели Чарльз Уитстон,

атакже братья Кромвель и Сэмюэль Варлей. Но еще задолго до В. Сименса

в1856 г. венгерский физик, профессор Будапештского университета Аньош Йедлик (1800–1895) [20] пришел к выводу о том, что если обмотки возбуждения присоединить к зажимам якоря того же генератора, то при пуске машины развивается процесс самоусиления магнитного поля. Вместе с тем А. Йедлик заметил, что для возникновения этого процесса нет необходимости в

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

установке постоянных магнитов, а вполне достаточно остаточного магнетизма. Так А. Йедлик сформулировал не только принцип самоусиления магнитного поля, но и принцип самовозбуждения генератора. В 1861 г. он уже построил самовозбуждающийся генератор.

Работы А. Йедлика были, по-видимому, несколько преждевременными, и, кроме того, он не располагал необходимыми средствами для промышленного изготовления машин в больших масштабах. Иное положение было у В. Сименса: являясь главой фирмы, со временем завоевавшей позиции ведущего мирового электротехнического концерна, он открыл широкую дорогу для производства динамо-машин.

Существенным недостатком первых генераторов с самовозбуждением являлась весьма несовершенная конструкция якоря. Так, двух-Т-образный якорь В. Сименса не только ограничивал мощность машин из-за быстрого нагрева, вызывал сильное искрение на коллекторе, но и давал резко пульсирующий ток. Этот ток, в свою очередь, вызывал резкую пульсацию магнитного потока и, следовательно, большие потери в стальных сердечниках. В этом отношении двух-Т-образный якорь ничем не отличался от стрежневого, поскольку и тот и другой были только разновидностями неудачного явнополюсного исполнения якорей машин постоянного тока. Этот недостаток позднее сумел устранить Фридрих Хёфнер-Альтенек.

Событием, революционизировавшим развитие электрической машины и положившим начало промышленной электротехнике, явилось объединение принципа самовозбуждения с конструкцией кольцевого якоря.

Разработка самовозбуждающихся генераторов с кольцевыми и барабанными якорями и развитыми магнитными системами составила основное содержание четвертого этапа в развитии электрических генераторов.

Зеноб Теофил Грамм, занимаясь изготовлением электрических машин, стал одним из самых известных французских специалистов в области электромашиностроения и электрического освещения. В июне 1870 г. он получил патент, в котором содержалось описание самовозбуждающегося (в общем случае многополюсного) генератора с кольцевым якорем. На гладкий железный кольцеобразный сердечник наматывалась замкнутая сама на себя обмотка (позднее такую обмотку стали называть «граммовской»). От равноудаленных точек этой обмотки шли отпайки к коллекторным пластинам.

Общий вид одной из конструкций генератора Грамма изображен на рис. 2.35, а. На станине 1 укреплены электромагниты 2 с полюсными наконечниками 3, между которыми вращается якорь 4; в специальных держателях укреплены щетки, соприкасающиеся с почти современного типа коллектором 5. Якорь приводится во вращение через приводной шкив. Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря.

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

Рис. 2.35. Самовозбуждающийся генератор Грамма для питания осветительных установок

На рис. 2.35, б показана принципиальная схема генератора, а на рис. 2.35, в – конструкция кольцевого якоря. З. Т. Грамм указывал, что сердечник якоря может быть сплошным, а может быть изготовлен из пучка стальных проволок 1, как показано на рисунке; здесь же 2 – катушки обмотки, 3 – коллекторные пластины.

Позднее З. Т. Грамм предложил еще несколько конструкций самовозбуждающихся машин, различных по внешнему виду и мощности, но принципиальных изменений в свою машину он больше не вносил.

Генератор Грамма оказался весьма экономичным источником электрической энергии, позволявшим получать значительные мощности при высоком КПД и сравнительно малых габаритах и массе. Сравнение машины Грамма, например, с машиной «Альянс» показывает, что самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем имел массу на 1 кВт примерно в 6 раз меньшую, чем генератор с постоянными магнитами.

Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали тому, что он быстро вытеснил другие типы генераторов и получил очень широкое распространение. В начале 1870-х гг. принцип обратимости электрических машин был уже хорошо известен, а машина Грамма использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Таким образом, в начале 1870-х гг. обе линии развития электрических машин (генератора и двигателя) объединились.

Машина Грамма представляла собой машину постоянного тока современного типа. Однако она нуждалась в определенных усовершенствованиях, которые последовали в 70–80-х гг. XIX в.

В 80-х гг. XIX в. продолжались исследования процессов в электрических машинах и совершенствование их конструкций. В 1880 г. американский изобретатель Хайрем Максим (1840–1916) вновь (после А. Пачинотти) предложил зубчатый якорь, а также внутренние каналы для вентиляции. Знамени-

2.ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.2.Первые электрические машины

тый американский электротехник Томас Алва Эдисон (1847–1931) в 1880 г. получил патент на шихтованный якорь, в котором пластины изолировались листами тонкой бумаги, позднее замененными лаком.

С 1885 г. стали применяться шаблонная и компенсационная обмотки, устанавливаться дополнительные полюса.

Огромное значение в совершенствовании проектирования электрических машин сыграли работы Александра Григорьевича Столетова (1839–1896) по исследованию магнитных свойств «мягкого железа», доказавшего связь магнитной восприимчивости железа с напряженностью магнитного поля.

В 1880 г. немецким физиком Эмилем Варбургом (1846–1931) было открыто явление гистерезиса и начались исследования магнитных потерь стали. Английский ученый Джеймс Э. Юинг (1855–1935) пришел к выводу о «гистерезисном цикле» и предложил прибор для вычерчивания кривых намагничивания. Выдающийся американский электротехник Чарльз Протеус Штейнмец (1865–1923) предложил эмпирическую формулу для определения потерь на гистерезис. В 1885 г. английский электротехник Джон Гопкинсон сформулировал закон магнитной цепи. Таким образом, к концу 1880-х гг. электрическая машина постоянного тока приобрела современные конструктивные черты.