29

Донецкий государственный технический университет

Кафедра «Электромеханики и ТОЭ»

Антамонов В.Х.

Штрихи по истории электротехники

г.Донецк-2000г.

ВСТУПЛЕНИЕ.

В широком смысле слова электротехника – это обширнейшая область практического применения электромагнитных явлений. Но чтобы эти явления использовать, применять, их надо изучить, причём изучить всесторонне, в самом общем виде, а не в каком-то конкретном применении. Этим занимается ТОЭ – наука о теории электромагнитных явлений. ТОЭ – сравнительно молодая наука, зародилась она в недрах физики. Сегодня об этом мы говорим легко и просто, как о само собой разумеющемся. Но в истории развития электротехники, в создании её теоретических основ лежат целые столетия и огромный труд нескольких поколений инженеров и учёных всего мира. По крупицам, ценою каждая в человеческую жизнь, складывались знания в стройную и мощную науку об электричестве. Во благо человечеству. Будем помнить и будем благодарны этим великим людям электротехники!

Сегодня, когда ХХ век сменяется новым ХХI-ым, путь в эту прекрасную область знаний открывается Вам, молодым, умным, полным сил и честолюбивых стремлений. Вы начинаете изучать основы теории – курс ТОЭ. Любите эту науку, будьте добросовестны и достойны этой науки.

А сейчас давайте познакомимся с небольшой хронологией исторических имён и дат электротехники, так сказать, со штрихами истории…

ПОЧТИ ДРЕВНИЙ ПЕРИОД ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ.

Электризацию веществ /янтаря/ заметил ещё за 600 лет до новой эры некий купец грек Фалес из Милета. А за 450 лет до новой эры тоже грек, философ Эмпедокл учил, что материя не исчезает, и не возникает, и состоит она из 4^х-элементов: воды, земли, огня и воздуха, которые приводятся в действие любовью или ненавистью. Ну надо же! Как здорово сказано о материи и о любви!

С тех пор прошло много-много лет, прежде чем накопленные знания об электризации веществ были систематизированы.

* Уильям Гильберт /1540-1603г./. В 1600 году не учёный, а просто придворный врач королевы Англии, естествоиспытатель, отбрасывает всякие слухи, легенды, и сам у себя в лаборатории проверяет все известные на то время электрические и магнитные явления. Закончил он медицинский факультет в Кембридже, но основным его трудом стал научный трактат «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле», который опубликован в 1600 году. И как же должно быть обидно, что сравнивая электрические и магнитные свойства тел, явления, он сделал вывод, что они, эти явления, не имеют ничего общего между собой. Этим он оказал плохое влияние на будущих исследователей на целых 150-200 лет вперёд. Зато он первым ввёл сам термин «Э л е к т р и ч е с т в о». Вот бы узнать, как он придумал это слово, с чем оно у него ассоциировалось!

* Исаак Ньютон /1642-1727г./. Ньютон родился в семье бедного фермера в деревне, в 75км от Кембриджа. Учился в Тринити-колледже от Кембриджского университета. Там в 26 лет получил степень магистра. Самыми плодотворными он считал 1665-1666 годы, т.е. даже до того, как ему присвоили степень магистра. Это 23-24 года парню было. Работал в области оптики и классической /небесной/ механики: «Новая теория света и цветов», «Математические начала натуральной философии». Именно Ньютон первым, хотя и одновременно с Лейбницем, создал основы дифференциального и интегрального исчисления, а также основы теории всемирного тяготения. Но он слишком поздно печатал свои труды, запаздывая лет на двадцать. То ли не придавал им должного значения, то ли хотел, чтоб всё хорошенько систематизировалось и улеглось в голове. Вот так и получилось с дифференциальным и интегральным исчислением. Кто сейчас считает, что автор Ньютон, а не Лейбниц?!

Но почему о Ньютоне в истории электротехники, ведь в его время об электричестве ещё ничего серьёзного не было. Да просто для того, чтобы знать, кого вспоминать, когда связываешься с этими милыми интегралами.

СРЕДНЕВЕКОВЬЕ - НАЧАЛО XVIII ВЕКА.

* Михаил Васильевич Ломоносов /1711-1765г./. Родом из глухого поморского посёлка. Задумаемся над этим! Это какая же должна быть тяга к учёбе, к науке! Наверное, все мы видели фильм о Ломоносове. В 19 лет, пешком, в Москву! Ну кто бы сейчас? Нет, нет, это был не просто русский мужик, это какое-то провидение господнее! Всего через 2 года его направили в Марбурский /может Магдебурский?/ университет в Германии. Так что наш помор успел поучиться и за границей.

Вообще-то, М.В.Ломоносов был скорее всего химиком, но интересовался и горным делом. В 1748 году формулирует закон сохранения массы и энергии. Знаете знаменитое, что «ежели сколько убудет в одном, то ровно столько прибудет в другом»? Беспокоился, всё хотел выяснить причину, природу электричества. Вон какие области знаний выбрал: о материи, о причинах электричества говорил. Даже став уже академиком. А вот какая простая и глубокая мысль: настоящие знания получает тот, кто теорию подкрепляет, сумеет подкрепить практикой.

Трудно русским пробивать себе дорогу, и в науке, и даже в Российской академии наук. В его время всюду было засилье немцев, англичан, потом французов. Может быть и поэтому Михайло Васильевич пробивал идею, а потом разработал проект и построил Московский университет. В центре Москвы, напротив Кремля на Манежной площади, а то кто-нибудь ещё подумает, что на Ленинских горах.Тогда это было роскошное здание. Именно с ним связана студенческая вольница – «Татьянин день» - 25 января.

Очень жаль, что такой великий человек прожил всего 54года. но по своим идеям в области тепла и строения материи он был настолько впереди, что оценить их смогли лишь учёные, жившие чуть ли не на два века позже него. Зато какая память для всех студентов!

Вначале и в середине 18-го века жили и работали ещё два человека, которых ну никак нельзя не упомянуть.

* Пьер Симон Лаплас /1749-1827г./. Житель романтической и бурной Франции. Чем он только не занимался! Сначала в физике взялся за теплоту плавления тел. Но началась Великая француз-ская революция. Лапласу поручили реорганизовать систему высшего образования. Были созданы так называемая Нормальная и Политехническая /что-то вроде технического вуза/ школы. Потом он занимался внедрением метрической системы. Наконец в 1799-1825 годах Лаплас опубликовал«Аналитическую теорию вероятностей» - 1812год, и пятитомный труд «Трактат о небесной механике». Как видим, и Лаплас интересовался небесной механикой и математикой. Кто ж ими тогда не интересовался. Любимое блюдо.

Прямого отношения к исследованию электрических и магнит-ных явлений Лаплас вроде бы не имел. А мы учим: преобразование по Лапласу, уравнения Лапласа для различных полей. Конечно же, всё это из математики и небесной механики.

И вот ещё интересные моменты из жизни Лапласа. Учился он в монастырской школе, но сам атеист и материалист. Поэтому потом он и назвал школы: Нормальная и Политехническая. А политические убеждения у Лапласа менялись в соответствии с формами правления во Франции. В 1811 году Наполеон присвоил ему титул или звание графа де Лапласа, за что Лаплас посвящает императору третий том «Трактата о небесной механике». Граф де Лаплас становится министром внутренних дел Франции. Эту работу он успешно развалил, после чего стал сенатором. В 1814 году он же голосует за низложение Наполеона, а тот же третий том своего трактата посвящает Людовику XVIII. В период реставрации уже от бурбонов Лаплас получил титул маркиза и звание пэра Франции. Ах, люди! Заметим, ничего хорошего не получается, когда человек занимается не своим делом. Даже у великих.

* Карл Фридрих Гаусс /1777-1855г./. Немец, родился в семье бедного садовника. С детства был очень способен к математике и иностранным языкам. Уже в школе изучал труды Ньютона. Учился в Геттингенском университете – это городок с 50-100 тысячами жителей на северо-западе Германии. С 1807 года /в 30 лет/ назначен заведующим кафедрой математики в этом университете. Здесь он проработал до конца жизни, не изменяя математике. С немецкой педантичностью и очень красиво строил доказательства теорем. Занимался практически всеми разделами математики, астрономией и физикой. И всюду он привносил математику. Его называли королём математики – громко, но справедливо. Известный принцип «наименьших квадратов» - это его детище. И в физике Гаусс сделал многое: измерил абсолютную величину магнитного момента магнитов, разработал метод измерения индукции электрических полей, дал, по сути, основу системы абсолютных электромагнитных единиц. В 1831 году свои исследования Гаусс представил в труде «Общая теория земного магнетизма». Вот вам и математик! Его именем была названа единица измерения магнитной индукции: 1 Тл = 10000 гаусс. С 1963 года введена международная система единиц SI – system international.

Умер К.Ф.Гаусс в 77 лет, 22 февраля 1855 года.

Так что, дорогие наши энергетики, электрики и электромеханики! Когда Вы садитесь за эти переходные процессы, за длинные линии или за теорию электромагнитного поля, помните: все эти дифференциалы и интегралы, изображения функций и прочую ерунду Вам приготовили англичанин Исаак Ньютон, француз Пьер Лаплас, немец Карл Гаусс, конечно, не без вмешательства истинных электриков - Густава Кирхгофа и шотландца Джеймса Максвелла.

ЗОЛОТОЙ ФОНД ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ.

* Шарль Огюстен Кулон /1736-1806г./ - француз. Вообще-то он занимался вопросами сопротивления материалов, законами, действующими при скручивании нитей, тонких проволок. Так он и открыл закон взаимодействия точечных электрических зарядов. И даже «распространил» его на магнитные заряды, которых ещё не нашли и в наш «просвещённый» двадцатый век. Закон Кулона опубликован в 1785 году, так что он почти совпал с законом Ньютона о всемирном тяготении и был достаточно понятен современникам, не шёл в разрез с установившимися представлениями.

По жизни Кулон захватил времена Великой французской революции и Наполеона, даже был у него советником по делам техники и занимал должность интенданта лесов и вод.

** Закон Кулона и более ранний трактат Гильберта – это исследования отдельных элементов, зарядов, их взаимодействия. Но уже идёт 1785 год, конец XVIII века. Неужели до сих пор ничего не известно об источниках электрического тока, о самом электрическом токе?

Как это ни странно, но наука об электричестве своим развитием обязана, оказывается, медикам. Уильям Гильберт – врач, прославленный революцией «друг народа» Марат – тоже врач, и вот Луиджи Гальвани, итальянец – тоже врач. Ещё в середине века, 1745 год, людей от паралича они лечили с помощью «электрических» ударов. Так в 1791 году Луиджи Гальвани открывает «животное электричество» - он считает, что источником электричества является нерв лягушек. Только вот этого и не хватало в электротехнике!

Хорошо, что этим же, т.е. «возникновением и циркуляцией электричества» занимался тоже итальянец, но настоящий физик Алессандро Вольта /1745-1827г./. Он- то и доказал, что условием протекания тока является наличие двух проводников первого рода (металлов) и одного проводника второго рода (электролита), которые были бы включены в цепь. В 1800 году Алессандро Вольта создал вольтов столб – первый источник длительного постоянного тока. Кстати, он же является автором термоэлектрической батареи. Но Гальвани настаивает на своей правоте. И тут вмешивается ещё один итальянец – Джованни Габрони, наверное, химик, потому что источником электричества он считал химические реакции (превращения). Спорили три итальянца и, как Вы думаете, кто победил?

А в это время в далёкой холодной России возились с вольтовой дугой.

* Андре Мари Ампер /1775-1836г./. Родился 22 января в г. Лионе, Франция. Из бедной семьи. Учился большей частью сам, с отцом, потом у местного священника. Латынь, математика, химия. В 18 лет его отец погиб. Как бедному, так уж все беды.

Ампер начинает преподавать математику, потом физику и химию. И тут открытие Эрстеда о влиянии провода с током на магнитную стрелку! Ампер как истинный учитель тут же делает эти опыты и формулирует «правило пловца» о направлении отклонения стрелки. А потом вдруг вспоминает, что ведь и два магнита либо притягиваются друг к другу, либо отталкиваются. Это и привело его к закону взаимодействия двух проводников с токами /1822г./. Причём, Ампер хорошо отработал свой закон в математическом отношении, дал чёткую формулировку.

У Ампера были и такие наблюдения: действие магнитных сил от тока увеличивается, если провод намотать в виде катушки, а если в катушке будет ещё и металлический сердечник, то получается ещё более мощный магнит.

Взаимодействие двух токов поразило Ампера своим отличием от таких явлений, как накопление зарядов, их притягивание или отталкивание. Здесь взаимодействие происходит в динамике, да к тому же взаимодействуют электрический ток и магнитная стрелка. Поэтому Ампер назвал эти явления электродинамическими и предложил разделение науки на электростатику и электродинамику. Он сказал, что магнетизм – это не самостоятельное явление, это фундамент электродинамики. Если вдуматься, то это уже разговор о единстве электромагнитных явлений. Не все согласились со взглядами Ампера. Современники даже не подумали принять их, так сказать, к сведению, и поразмышлять «на досуге».

Андре Мари Ампер, наверное, опередил своё время. В 1822 году ещё не было известно явление электромагнитной индукции /Фарадей, 1831г./, а о динамическом взаимодействии электрических и магнитных явлений суждено было сказать Джеймсу Максвеллу лишь в 1873 году, т.е. через 50 лет. Современники Ампера ещё не различали понятия: электрический ток и напряжение. Для них всё это было просто электричество. Ну как с такими тёмными можно работать, да ещё и новые законы открывать! Не было даже простого амперметра, все пользовались так называемыми крутильными весами.

А амперметр изобрёл не Ампер, а немец Швейгер. И было это позже. И назвал он своё детище почему-то гальванометром. Итальянца Гальвани, что ли, почитал.

* Ганс Христиан Эрстед /1777-1851г./. Датский физик. Биографы не нашли ничего примечательного в его жизни: школа, потом изучал медицину и естественные науки в Копенгагене.

В 40 лет / 1817год/ стал профессором. Исследования всё же вёл по электричеству, возился с батарейками Вольта. Модно было. Где-то в 1818-1820 годах Эрстед вдруг обнаруживает, что магнитная стрелка, помещённая параллельно проводнику, отклоняется, если по нему проходит ток. Казалось бы, ерунда, мелочь. Да, пусть и ерунда, но с многообещающими последствиями. Это же значит, что таким образом можно измерять величину тока (вспомним, что амперметра ещё нет, вместо него крутильные весы). Можно сделать электромагнит, а если экспериментировать будет Фарадей, так этот сделает целый «магнитный генератор электрического тока». Так что Ганс Эрстед сделал не маленькое, а важное открытие.

* Георг Симон Ом /1789-1854г./ - немецкий физик. В чисто житейском плане Ом был близок Амперу. Родился 16 марта в городе Эрлангене неподалеку от Нюрнберга в семье купца–ремесленника. Он рано остался без матери. Отец, сам имея лишь начальное образование, старался дать своим сыновьям Георгу и Мартину высшее образование, сам обучал их математике. В 16 лет Георг Ом поступил в Эрлангенский университет, но, наверное, слишком увлёкся пикниками и другими развлечениями. Уже через год ему пришлось оставить университет и принять должность учителя математики в одном швейцарском воспитательном доме. Лишь в 24 года Ом вернулся в Эрланген, чтобы закончить университет. Ом много внимания уделял педагогической работе, его мечтой было преподавание в высшей школе. И первой его печатной работой стали «Основы целесообразного изучения геометрии как средство высшего образования». Много занимался физическими опытами и математикой, у него были работы по акустике и по интерференции света. Но когда появились гальванические источника тока и все «заболели электричеством», Ом избрал себе для исследования именно провода электрической цепи, потому что «здесь я меньше всего должен считаться с конкуренцией». Но он понимал и писал, что это «лишь один раздел общего учения об электричестве, и я предполагаю в дальнейшем присоединять новые части, образующие единое целое, если только ценность первых результатов в какой-то мере оправдает те жертвы, которых они мне стоили». Так Ом писал в предисловии к главному научному труду своей жизни - монографии «Гальваническая цепь в математическом описании».

Эти слова показывают, насколько трудно было Ому в жизни. Надо было добиться признания, тогда будет и должность, и обеспеченность. А пока все свои исследования он ведёт лишь благодаря материальной поддержке младшего брата Мартина, который к этому времени уже стал известным профессором математики.

Из-за несовершенства измерений, даже при всей своей пунктуальности, на основе первых результатов в 1825 году Ом пришёл к неверной формулировке зависимости «напряжение – ток »:

и лишь в 1827 году, после тщательной аналитической проработки, он даёт точную и строгую формулировку связи между напряжением, током и сопротивлением проводников, замыкающих одну и ту же цепь.

Свою монографию Ом разослал в ряд научных учреждений, в том числе во Французскую Академию наук, её действительному члену Ж.Фурье, которого высоко ценил. Он хорошо изучил работы Фурье по теплопередаче и даже писал в своей работе: «Я исходил из предположения, что передача электричества между частицами, при прочих равных обстоятельствах, прямо пропорциональ-на разности электрических сил, точно так же, как в теории теплоты тепловой поток между смежными частицами рассматривается как пропорциональный разности их температур». Но Фурье перепоручил работу своему тринадцатому референту и нисколько не помог признанию работы Ома.

Прошло 6 лет после опубликования работы. Лишь немногие учёные её признали, а некоторые выступили с прямыми опровержениями полученных зависимостей и с различными нападками. Вот профессор Г.Ф.Поль из Вроцлавского университета, в научном журнале пишет: «Тот, кто благоговейными глазами взирает на вселенную, должен отвернуться от этой книги, являющейся плодом неисправимых заблуждений, …сплетением голых фантазий». И это говорит профессор о результатах экспериментов! Да, Ом в качестве источника использовал медно-висмутовую термопару, не было амперметров и приходилось пользоваться всё теми же крутильными весами, он наделал ошибок и получил логарифмическую связь между током и напряжением. За это он получил от француза Пуйе, который проверил все эти опыты. Но потом Ом бросил свою работу в какой-то военной школе, уехал в Берлин, засел в библиотеке. Там он, скорее всего, и изучил работы Фурье по теплопередаче, после чего уж дал такие исчерпывающие данные, что диву можно даваться. Он установил, что сопротивление проводника пропорционально длине, обратнопропорционально сечению проводника: что с температурой сопротивление металлов больше, а сопротивление жидкостей – меньше. Ом дал удельные сопротивления многих металлов и жидкостей. И вот это профессор позволяет себе назвать сплетением голых фантазий. Просто Ом не был членом ни Французской, ни Английской Королевской академий, не имел там покровителей. Даже в 1852 году, за два года до смерти Ома, французский учёный М.Депре всё ещё писал: «закон Ома не представляет собой точного выражения фактов».

Подтверждение результатов, полученных Омом, и серьёзное признание пришло из России в работах русских учёных Ленца и Якоби, которые в 1833-1835 годах исследовали проводимости металлов.