Или электрическим током называют направленно движущийся поток заряженных частиц, например электронов. Также электричеством называется энергия, получаемая в результате такого движения заряженных частиц, и освещение, которое получают на основе этой энергии. Термин «электричество» был введён английским учёным Уильямом Гилбертом в 1600 году в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните-Земле».

Гилберт проводил опыты с янтарём, который в результате трения о сукно получил возможность притягивать другие лёгкие тела, то есть приобрёл некий заряд. А так как янтарь переводится с греческого как электрон, то наблюдаемое ученым явление получило название «электричество».

Электрический ток

Немного теории об электричестве

Электричество способно создавать вокруг проводников электрического тока или заряженных тел электрическое поле. Посредством электрического поля можно оказывать воздействие на другие тела, обладающие электрическим зарядом.fv

Электрические заряды, как всем известно, делятся на положительные и отрицательные. Этот выбор является условным, однако из-за того, что он уже давно сделан исторически, то только поэтому за каждым зарядом закреплён определённый знак.

Тела, которые заряжены одним видом знака, отталкиваются друг от друга, а которые имеют разные заряды-наоборот притягиваются.

Во время движения заряженных частиц, то есть существования электричества, также помимо электрического поля возникает и магнитное поле. Это позволяет установить родство между электричеством и магнетизмом .

Интересно, что существуют тела, которые проводят электрический ток или тела с очень большим сопротивлением.. Это было открыто английским учёным Стивеном Греем в 1729 году.

Изучением электричества, наиболее полно и фундаментально, занимается такая наука, как термодинамика. Однако квантовые свойства электромагнитных полей и заряженных частиц изучаются уже совсем другой наукойm – квантовой термодинамикой, однако некоторую часть квантовых явлений можно довольно просто объяснить обычными квантовыми теориями.

Основы электричества

История открытия электричества

Для начала необходимо сказать, что нет такого учёного, который может считаться открывателем электричества, так как с древнейших времен до наших дней многие учёные изучают его свойства и узнают что-то новое об электричестве.

• Первым, кто заинтересовался электричеством, был древнегреческий философ Фалес. Он обнаружил, что янтарь, который потереть о шерсть приобретает свойство притягивать другие лёгкие тела.
• Затем другой древнегреческий ученый Аристотель занимался изучением некоторых угрей, которые поражали врагов, как мы теперь знаем, электрическим разрядом.
• В 70 году нашей эры римский писатель Плиний изучал электрические свойства смолы.
• Однако затем долгое время об электричестве не было получено никаких знаний.
• И только в 16 веке придворный врач английской королевы Елизаветы 1 Вильям Жильбер занялся изучением электрических свойств и сделал ряд интересных открытий. После этого началось буквально «электрическое помешательство».
• Только в 1600 году появился термин «электричество», введённый английским ученым Уильямом Гилбертом.
• В 1650 году, благодаря бургомистру Магдебурга Отто фон Герике, который изобрёл электростатическую машину, появилась возможность наблюдать эффект отталкивания тел под действием электричества.
• В 1729 году английский учёный Стивен Грей, проводя опыты по передачи электрического тока на расстояние, случайно обнаружил, что не все материалы обладают свойством одинаково передавать электричество.
• В 1733 году французский ученый Шарль Дюфе открыл существование двух типов электричества, которые он назвал стеклянным и смоляным. Эти названия они получили из-за того, что выявлялись при трении стекла о шёлк и смолы о шерсть.
• Первый конденсатор, то есть накопитель электричества, изобрёл голландец Питер ванн Мушенбрук в 1745 году. Этот конденсатор получил название Лейденская банка.
• В 1747 году американец Б.Франклин создал первую в мире теорию электричества. По франклину электричество – это нематериальная жидкость или флюид. Другая заслуга Франклина перед наукой заключается в том, что он изобрёл громоотвод и с помощью него доказал, что молния имеет электрическую природу возникновения. Также он ввёл такие понятия как положительный и отрицательный заряды, но не открывал заряды. Это открытие сделал учёный Симмер, который доказал существование полюсов зарядов: положительного и отрицательного.
• Изучение свойств электричества перешло к точным наукам после того как в 1785 году Кулон открыл закон о силе взаимодействия, происходящей между точечными электрическими зарядами, который получил название Закон Кулона.
• Затем, в 1791 году итальянский учёный Гальвани публикует трактат о том, что в мышцах животных, при их движении возникает электрический ток.
• Изобретение батареи другим итальянским учёным – Вольтом в 1800, привело к бурному развитию науки об электричестве и к последовавшему ряду важных открытий в этой области.
• Затем последовали открытия Фарадея, Максвелла и Ампера, которые произошли всего за 20 лет.
• В 1874 году российский инженер А.Н.Лодыгин получил патент, на изобретённую в 1872 году лампу накаливания с угольным стержнем. Затем в лампе стал использоваться стержень из вольфрама. А в 1906 году он продал свой патент компании Томаса Эдисона.
• В 1888 году Герц регистрирует электромагнитные волны.
• В 1879 году Джозеф Томсон открывает электрон, который является материальным носителем электричества.
• В 1911 году француз Жорж Клод изобрёл первую в мире неоновую лампу.
• Двадцатый век дал миру теорию Квантовой электродинамики.
• В 1967 году был сделан еще один шаг на пути изучения свойств электричества. В этом году была создана теория электрослабых взаимодействий.

Однако это только основные открытия, сделанные учёными, и способствовавшие применению электричества. Но исследования продолжаются и сейчас, и каждый год происходят открытия в области электричества.

Все уверенны что самым великим и могущественным в плане открытий связанных с электричеством, был Никола Тесла. Сам он родился в Австрийской империи, теперь это территория Хорватии. В его багаже изобретений и научных работ: переменный ток, теория полей, эфир, радио, резонанс и многое другое. Некоторые допускают возможность что явление “Тунгусского метеорита”, это ни что иное как работа рук самого Николы Теслы, а именно взрыв огромной мощности на территории Сибири.

Властелин мира - Никола Тесла

Какое-то время считалось, что электричество в природе не существует. Однако после того как Б.Франклин установил, что молнии имеют электрическую природу возникновения, это мнение перестало существовать.

Значение электричества в природе, как и в жизни человека достаточно огромно. Ведь именно молнии привели к синтезу аминокислот и, следовательно, к появлению жизни на земле .

Процессы в нервной системе человека и животных, например, движение и дыхание, происходят благодаря нервному импульсу, который возникает из-за электричества, существующего в тканях живых существ.

Некоторые виды рыб использую электричество, а точнее электрические разряды для защиты от врагов, поиска пищи под водой и её добывания. Такими рыбами являются: угри, миноги, электрические скаты и даже некоторые акулы. Все эти рыбы имеют специальный электрический орган, который работает по принципу конденсатора, то есть накапливает достаточно большой электрический заряд, а затем разряжает его на жертву, прикоснувшуюся к такой рыбе. Также такой орган работает с частотой в несколько сотен герц и имеет напряжение несколько вольт. Сила тока электрического органа рыб меняется с возрастом: чем старше становится рыба, тем сила тока больше. Также благодаря электрическому току рыбы, обитающие на большой глубине, ориентируются в воде. Электрическое поле искажается под действие предметов, находящихся в воде. А эти искажения и помогают рыбам ориентироваться.

Смертельные опыты. Электричество

Получение электричества

Для получения электричества были специально созданы электростанции. На электростанциях при помощи генераторов, создается электроэнергия, которая после передается в места потребления по линиям электропередач. Электрический ток создается благодаря переходу механической или внутренней энергии в электрическую энергию. Электростанции делятся на: гидроэлектростанции или ГЭС, тепловые атомные, ветровые, приливные, солнечные и другие электростанции.

В гидроэлектростанциях турбины генератора, движущиеся под действием потока воды, вырабатывают электрический ток. В тепловых электростанциях или по-другому ТЭЦ электрический ток образуется также, но только вместо воды используется водяной пар, возникающий в процессе нагрева воды при сгорании топлива, например, угля.

Очень похожий принцип работы используется в атомной станции или АЭС. Только в АЭС используется другой вид топлива – радиоактивные материалы, например, уран или плутоний. Происходит деление их ядер, благодаря чему выделяется очень большое количество теплоты, используемое для нагревания воды и превращения её в водяной пар, который затем поступает в турбину, вырабатывающую электрический ток. Для работы таких станций требуется очень мало топлива. Так десять граммов урана вырабатывает такое же количество электричества, как и вагон угля.

Использование электричества

В наше время жизнь без электричества становится невозможной. Оно достаточно плотно вошло в жизнь людей двадцать первого века. Часто электричество используют для освещения, например, используя электрическую или неоновую лампу, и для передачи всевозможной информации с помощью телефона, телевидения и радио, а в прошлом и телеграфа. Также еще в двадцатом веке появилась новая область применения электричества: источник питания электрических двигателей трамваев, поездов в метро, троллейбусов и электричек. Электричество необходимо для работы различных бытовых приборов, которые значительно улучшают жизнь современного человека.

Сегодня электричество также применяется для получения качественных материалов и их обработки. С помощью электрогитар, работающих благодаря электричеству, можно создавать музыку. Также электричество продолжает использоваться, как гуманный способ умерщвления преступников (электрический стул), в странах, в которых разрешена смертная казнь.

Также учитывая то, что жизнь современного человека становится практически невозможной без компьютеров и сотовых телефонов, для работы которых необходимо электричество, то важность электричества будет достаточно сложно переоценить.

Электричество в мифологии и искусстве

В мифологии почти всех народов есть боги, которые способны метать молнии, то есть умеющие использовать электричество. Например, у греков таким богом был Зевс, у индусов-Агни, который умел превращаться в молнию, у славян – это Перун, а у скандинавских народов-Тор.

В мультфильмах также есть электричество. Так в диснеевском мультфильме Черный плащ есть антигерой Мегавольт, который способен повелевать электричеством. В японской анимации электричеством владеет покемон Пикачу.

Заключение

Изучение свойств электричества началось ещё в глубокой древности и продолжается до сих пор. Узнав, основные свойства электричества и, научившись их правильно использовать, люди значительно облегчили свою жизнь. Электричество также используется на заводах, фабриках и тд., то есть с помощью него можно получать другие блага. Значение электричества, как в природе, так и в жизни современного человека огромно. Без такого электрического явления как молния на земле не зародилась бы жизнь, а без нервных импульсов, возникающих также благодаря электричеству, не возможно было бы обеспечить согласованную работу между всеми частями организмов.

Люди всегда были благодарны электричеству, даже когда не знали об его существовании. Они наделяли своих главных богов возможностью метать молнии.

Современный человек также не забывает об электричестве, но возможно ли о нем забыть? Он наделяет электрическими способностями героев мультфильмов и фильмов, строит электростанции, чтобы получать электричество и делает многое другое.

Таким образом, электричество величайший дар, данный нам самой природой и которым мы, к счастью, научились пользоваться.

5 лекция на тему:

Развитие электромагнитной теории и электротехники

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Разнообразные применения электрической энергии можно разделить на две группы:

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

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

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

Основные периоды развития электротехники

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ВВЕДЕНИЕ

Начнем наш рассказ словами самого Теслы, написавшего незадолго до смерти замечательный очерк истории электротехники "Сказку об электричестве": "Кто действительно хочет помять все величие нашего времени, тот должен познакомиться с историей науки об электричестве”.

Впервые явления, ныне называемые электрическими, были замечены в древнем Китае, Индии, а позднее в древней Греции. Сохранившиеся предания гласят, что древнегреческому философу Фалесу Милетскому (640-550 гг. до н. э.) было уже известно свойство янтаря, натертого мехом или шерстью, притягивать обрывки бумаги, пушинки и другие легкие тела. От греческого названия янтаря - "электрон" - явление это позднее получило наименование электризации.

На протяжении многих столетий, электрические явления считались проявлениями божественной силы, пока в 17в. ученые не подошли вплотную к изучению электричества. Кулон, Гильберт, Отто фон Герике, Мушенбрек, Франклин, Эрстед, Араго, Ломоносов, Луиджи Гальвани, Алессандро Вольта - вот далеко не полный список ученых занимавшихся проблемами электричества. Особо следует сказать о деятельности замечательного ученого Андре Мари Ампера, положившего начало изучению динамических действий электрического тока и установившему целый ряд законов электродинамики.

Открытия Эрстеда, Араго, Ампера заинтересовали гениального английского физика Майкла Фарадея и побудили его заняться всем кругом вопросов о превращении электрической и магнитной энергии в механическую. Другой английский физик Джеймс Клерк (Кларк) Ма́ксвелл 1873 году издал капитальный двухтомный труд «Трактат об электричестве и магнетизме», который объединил понятия электричество, магнетизм и электромагнитное поле. С этого момента началась эра активного использования электрической энергии в повседневной жизни.

1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Электри́чество — понятие, выражающее свойства и явления, обусловленные структурой физических тел и процессов, сущностью которой является движение и взаимодействие микроскопических заряженных частиц вещества (электронов, ионов, молекул, их комплексов и т. п.) .

Гильберт впервые обнаружил, что свойства электризации присущи не только янтарю, но и алмазу, сере, смоле. Он заметил также, что некоторые тела, например металлы, камни, кость, не электризуются, и разделил все тела, встречающиеся в природе, электризуемые и неэлектризуемые. Обратив особое внимание на первые, он производил опыты по изучению их свойств.

В 1650 году известный немецкий ученый, бургомистр города Магдебурга, изобретатель воздушного насоса Отто фон Герике построил специальную "электрическую машину", представлявшую шар из серы величиной с детскую голову, насаженный на ось.

Рисунок 1 - Электрическая машина фон Герике, усовершенствованная Ван де Графом

Если при вращении шара его натирали ладонями рук, он вскоре приобретал свойство притягивать и отталкивать легкие тела. На протяжении нескольких столетий машину Герике значительно усовершенствовали англичанин Хоксби, немецкие ученые Бозе, Винклер и другие. Опыты с этими машинами привели к ряду важных открытий:

· в 1707 году французский физик дю Фей обнаружил различие между электричеством, получаемым от трения стеклянного шара и получаемым от трения крута из древесной смолы;

· в 1729 году англичане Грей и Уилер обнаружили способность некоторых тел проводить электричество и впервые указали на то, что все тела можно разделить на проводники и непроводники электричества.

Но значительно более важное открытие было описано в 1729 году Мушенбреком - профессором математики и философии в городе Лейдене. Он обнаружил, что стеклянная банка, оклеенная с обеих сторон оловянной фольгой (листочками станиоля), способна накапливать электричество. Заряженное до определенного потенциала (понятие о котором появилось значительно позднее), это устройство могло быть разряжено со значительным эффектом - большой искрой, производившей сильный треск, подобный разряду молнии, и оказывавшей физиологические действия при прикосновении рук к обкладкам банки. От названия города, где производились опыты, прибор, созданный Мушенбреком, был назван лейденской банкой.

Рисунок 2 - Лейденская банка. Параллельное соединение четырёх банок

Исследования ее свойств производились в различных странах и вызвали появление множества теорий, пытавшихся объяснить обнаруженное явление конденсации заряда. Одна из теорий этого явления была дана, выдающимся американским ученым и общественным деятелем Бенджамином Франклином, который указал на существование положительного и отрицательного электричества. С точки зрения этой теории Франклин объяснил процесс заряда и разряда лейденской банки и доказал, что ее обкладки можно произвольно электризовать разными по знаку электрическими зарядами.

Франклин, как и русские ученые М. В. Ломоносов и Г. Рихман, уделил немало внимания изучению атмосферного электричества, грозового разряда (молнии). Как известно, Рихман погиб, производя опыт по изучению молнии. В 1752 году Бенджамином Франклином изобретен молниеотвод. Молниеотвод (в быту также употребляется более благозвучное «громоотвод») — устройство, устанавливаемое на зданиях и сооружениях и служащее для защиты от удара молнии. Состоит из трёх связанных между собой частей:

В 1785 году Ш. Кулоном открыт основной закон электростатики. На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Сила взаимодействия неподвижных зарядов, находящихся в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними- , :

В 1799 год Создан первый источник электрического тока — гальванический элемент и батарея элементов. Гальванический элемент (химический источник тока) - устройство, которое позволяет превращать энергию химической реакции в электрическую работу. По принципу работы различают первичные (разовые), вторичные (аккумуляторы) и топливные элементы. Гальванический элемент состоит из ионпроводящего электролита и двух разнородных электродов (полуэлементов), процессы окисления и восстановления в гальваническом элементе пространственно разделены. Положительный полюс гальванического элемента называется катодом , отрицательный - анодом . Электроны выходят из элемента через анод и движутся во внешней цепи к катоду .

Работы русских академиков Эпинуса, Крафта и других выявили целый ряд весьма важных свойств электрического заряда, но все они изучали электричество в состоянии неподвижном или мгновенный раз ряд его, то есть свойства статического электричества. Движение его проявлялось лишь в форме разряда. Об электрическом токе, то есть о непрерывном движении электричества, еще ничего не было известно.

Одним из первых глубоко исследовал свойства электрического тока в 1801 -1802 годах петербургский академик В. В. Петров. Работы этого выдающегося ученого, построившего самую крупную в мире в те годы батарею из 4200 медных и цинковых кружков, установили возможность практического использования электрического тока для нагрева проводников. Кроме того, Петров наблюдал явление электрического разряда между концами слегка разведенных углей как в воздухе, так и в других газах и вакууме, получившее название электрической дуги. В. В. Петров не только описал открытое им явление, но и указал на возможность его использования для освещения или плавки металлов и тем самым впервые высказал мысль о практическом применении электрического тока. С этого момента и должно начинать историю электротехники как самостоятельной отрасли техники.

Опыты с электрическим током привлекали внимание многих ученых разных стран. В 1802 году итальянский ученый Романьози обнаружил отклонение магнитной стрелки под влиянием электрического тока, протекавшего по расположенному вблизи проводнику. В конце 1819 года это явление было вновь наблюдаемо датским физиком Эрстедом, который в марте 1820 года опубликовал на латинском языке брошюру под заглавием "Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку". В этом сочинении "электрическим конфликтом" был назван электрический ток.

Едва лишь Араго продемонстрировал на заседании Парижской Академии наук опыт Эрстеда, как Ампер, повторив его, 18 сентября 1820 года, ровно через неделю, представил в академию сообщение о своих исследованиях. На следующем заседании, 25 сентября, Ампер докончил чтение доклада, в котором он изложил законы взаимодействия двух токов, протекающих по параллельно расположенным проводникам. С этого момента академия еженедельно слушала новые сообщения Ампера о его опытах, завершивших открытие и формулирование основных законов электродинамики.

Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что он впервые объединил два разобщенных ранее явления - электричество и магнетизм - одной теорией электромагнетизма и предложил рассматривать их как результат единого процесса природы. Эта теория, встреченная современниками Ампера с большим недоверием, была весьма прогрессивной и сыграла огромную роль в правильном понимании открытых позднее явлений.

В 1827 году немецкий ученый Георг Ом открыл один из фундаментальных законов электричества, устанавливающий основные зависимости между силой тока, напряжением и сопротивлением цепи, по которой протекает электрический ток, , ,

В 1847 году Кирхгоф сформулировал законы развертывания токов в сложных цепях , , , :

· Первый закон Кирхгофа

Применяется к узлам и формулируется следующим образом: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю. Знаки определяются в зависимости от того, направлен ток к узлу или от него (в любом случае произвольно).

· Второй закон Кирхгофа

Применяется к контурам: в любом контуре сумма напряжений на всех элементах и участках цепи, входящих в этот контур, равна нулю. Направление обхода каждого контура можно выбирать произвольно. Знаки определяются в зависимости от совпадения напряжений с направлением обхода.

Вторая формулировка: в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма напряжений на всех участках с сопротивлениями, входящих в этот контур, равно алгебраической сумме ЭДС.

· Обобщение законов Кирхгофа

Пусть У - количество узлов цепи, В - количество ветвей, К - число контуров .

Рисунок 3 - Линейная разветвленная электрическая цепь (У=3, В=5, K=6)

2. МАГНЕТИЗМ (МАГНИТЫ)

Магнетизм - это форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля .

Магнитное поле- это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела .

Постоянный магнит - изделие из магнитотвердого материала, автономный источник постоянного магнитного поля.
Магниты [греч. magnetis, от Magnetis Lithos, — камень из Магнесии (древний город в Малой Азии)] бывают естественные и искусственные. Естественным магнитом является кусок железной руды, обладающий способностью притягивать к себе находящиеся вблизи небольшие железные предметы.

Гигантскими естественными магнитами являются Земля и другие планеты (Магнитосфера) так как они обладают магнитным полем. Искусственные магниты представляют собой предметы и изделия, получившие магнитные свойства в результате контакта с естественным магнитом или намагниченные в магнитном поле. Постоянный магнит является искусственным магнитом.

В наиболее простых случаях постоянный магнит представляет собой тело (в виде подковы, полосы, шайбы, стержня и т. д.), прошедшее соответствующую термическую обработку и предварительно намагниченное до насыщения.

Рисунок 4 - Виды магнитов: а) подковообразный; б) полосовой; в) кольцевой

Постоянный магнит обычно входит как составная часть в магнитную систему, предназначенную для формирования магнитного поля. Напряженность магнитного поля, формируемого постоянным магнитом, может быть как постоянная, так и регулируемая.
Различные части постоянного магнита притягивают железные предметы по-разному. Концы магнита, где притяжение максимальное, называются полюсами магнита, а средняя часть, где притяжение практически отсутствует, называется нейтральной зоной магнита. Искусственные магниты в виде полосы или подковы всегда имеют два полюса на концах полосы и нейтральную зону между ними. Можно намагнитить кусок стали таким образом, что он будет иметь 4, 6 и более полюсов, разделенных нейтральными зонами, при этом число полюсов всегда остается четным. Невозможно получить магнит с одним полюсом. Соотношение между размерами полюсных областей и нейтральной зоны магнита зависит от его формы.

Уединенный магнит в виде длинного и тонкого стержня называют магнитной стрелкой. Конец укрепленной на острие или подвешенной магнитной стрелки — простейший компас, указывает географический север Земли, и называется северным полюсом (N) магнита, противоположный полюс магнита, указывает на юг, и называется южным полюсом (S).
Области применения постоянных магнитов весьма разнообразны. Их применяют в электродвигателях, в автоматике, робототехнике, для магнитных муфт магнитных подшипников, в часовой промышленности, в бытовой технике, как автономные источники постоянного магнитного поля в электротехнике и радиотехнике.

Магнитные цепи, включающие постоянные магниты, должны быть разомкнутыми, т. е. иметь воздушный зазор. Если постоянный магнит изготовлен в виде кольцевого сердечника, то он практически не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри него. В этом случае магнитное поле вне сердечника практически отсутствует. Чтобы использовать магнитную энергию постоянных магнитов, нужно в замкнутом магнитопроводе создать воздушный зазор определенного размера-.

Когда постоянный магнит служит для создания магнитного потока в воздушном зазоре, например между полюсами подковообразного магнита, воздушный зазор уменьшает индукцию (и намагниченность) постоянного магнита .

3. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Электромагнитное взаимодействие— одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, а значит не может непосредственно взаимодействовать с другими фотонами.

Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический заряд частицы: кварки, электрон, мюон и тау-частица (из фермионов), а также заряженые калибровочные бозоны.

Электромагнитное взаимодействие отличается от слабого и сильноговзаимодействия своим дальнодействующим характером — сила взаимодействия между двумя зарядами спадает только как вторая степень расстояния (см.: закон Кулона). По такому же закону спадает с расстоянием гравитационное взаимодействие.

Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах — электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов .

Электромагнитное поле - это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами. Представляет собой взаимосвязан­ные переменные электрическое поле и магнитное поле. Взаимная связь электрического Е и магнитного Н полей заключается в том, что всякое изменение одного из них приводит к появ­лению другого: переменное электрическое поле, порождаемое уско­ренно движущимися зарядами (источником), возбуждает в смежных областях пространства переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает в прилегающих к нему областях пространства переменное электрическое поле, и т. д. Таким образом, электромагнитное поле распространяется от точки к точке простран­ства в виде электромагнитных волн, бегущих от источника. Благодаря конечности скорости распространения электромагнитное поле может существовать автономно от породившего его источ­ника и не исчезает с устранением источника (например, радио­волны не исчезают с прекращением тока в излучившей их антенне).

Электромагнитное поле в вакууме описывается напряженностью электри­ческого поля Е и магнитной индукцией В. Электромагнитное поле в среде характеризуется дополнительно двумя вспомогательными величина­ми: напряженностью магнитного поля Н и электрической индукцией D. Связь компонентов электромагнитного поля с зарядами и то­ками описывается уравнениями Максвелла.

Электромагнитные волны представляют собой электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конеч­ной скоростью, зависящей от свойств среды (рисунок 5).

Рисунок 5 - Электромагнитные волны

Существо­вание электромагнитных волн предсказано английским физиком М. Фарадеем в 1832 г. Другой английский ученый, Дж. Максвелл, в 1865 г. теоретически показал, что электромагнитные колебания не остаются локализован­ными в пространстве, а распространяются во все стороны от источника. Теория Максвелла позволила единым образом подойти к описанию радио­волн, оптического излучения, рентгеновского излучения, гамма-излучения. Оказалось, что все эти виды излуче­ния - электромагнитные волны с различной длиной волны λ, т. е. родственны по своей природе. Каждое из них имеет своё определён­ное место в единой шкале электромагнитных волн (рисунок 6).

Рисунок 6 - Шкала электромагнитных волн

Распространяясь в средах, электромагнитные волны, как и всякие другие волны, могут испытывать преломление и отражение на границе раздела сред, дисперсию, поглощение, интерференцию; при распространении в неоднородных средах наблюдаются дифракция волн, рассеяние волн и другие явления.

Электромагнитные волны различных диапазонов длин волн характеризуются различными способами возбуждения и регистрации, по-разному взаимо­действуют с веществом. Процессы излучения и поглощения электромагнитных волн от самых длинных до ИК излучения достаточно полно описываются соотношениями классической электро­динамики.

В диапазонах более коротких длин волн, в особен­ности в диапазонах рентгеновских и γ-лучей, доминируют процессы, имеющие квантовую природу, и могут быть описаны только в рамках квантовой электроди­намики на основе представлении о дискретности этих процессов.

Электромагнитные волны широко используются в радиосвязи, радиолокации, телевидении, медицине, биологии, физике, астрономии и др. областях науки и техники .

Открытия Эрстеда, Араго, Ампера заинтересовали гениального английского физика Майкла Фарадея и побудили его заняться всем кругом вопросов о превращении электрической и магнитной энергии в механическую. В 1821 году он нашел еще одно решение поставленной задачи превращения электрической и магнитной энергии в механическую и продемонстрировал свой прибор, в котором он получал явление непрерывного электромагнитного вращения. В тот же день Фарадей записал в свой рабочий дневник обратную задачу: "Превратить магнетизм в электричество". Более десяти лет потребовалось, чтобы решить ее и найти способ получения электрической энергии из магнитной и механической. Лишь в конце 1831 года Фарадей сообщил об открытии им явления, названного затем электромагнитной индукцией и составляющего основу всей современной электроэнергетики-.

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Исследование Фарадея и работы русского академика Э. X. Ленца, сформулировавшего закон, по которому можно было определить направление электрического тока, возникающего в результате электромагнитной индукции, дали возможность создать первые электромагнитные генераторы и электродвигатели.

Вначале электрогенераторы и электродвигатели развивались независимо друг от друга, как две совершенно разные машины. Первый изобретатель электрического генератора, основанного на принципе электромагнитной индукции, пожелал остаться неизвестным. Произошло это так. Вскоре после опубликования доклада Фарадея в Королевском обществе, в котором было изложено открытие электромагнитной индукции, ученый нашел в своем почтовом ящике письмо, подписанное инициалами Р. М. Оно содержало описание первого в мире синхронного генератора и приложенный к нему чертеж. Фарадей, внимательно разобравшись в этом проекте, направил письмо Р. М. и чертеж в тот же журнал, в котором был в свое время помещен его доклад, надеясь, что неизвестный изобретатель, следя за журналом, увидит опубликованным не только свой проект, но и сопровождающее его письмо Фарадея, исключительно высоко оценивающее изобретение Р. М- , , .

Действительно, спустя почти полгода Р. М. прислал в редакцию журнала дополнительные разъяснения и описание предложенной им конструкции электрогенератора, но и на этот раз пожелал остаться неизвестным. Имя истинного создателя первого электромагнитного генератора так и осталось скрытым под инициалами, и человечество до сих пор, несмотря на тщательные розыски историков электротехники, остается в неведении, кому же оно обязано одним из важнейших изобретений. Машина Р. М. не имела устройства для выпрямления тока и была первым генератором переменного тока. Но этот ток, казалось, не мог быть использован для дугового освещения, электролиза, телеграфа, уже прочно вошедших в жизнь. Необходимо было, по мысли конструкторов того времени, создать машину, в которой можно было бы получать ток постоянным по направлению и величине.

Почти одновременно с Р. М. конструированием генераторов занимались братья Пикси и профессор физики Лондонского университета и член Королевского общества В. Риччи. Созданные ими машины имели специальное устройство для выпрямления переменного тока в постоянный - так называемый коллектор. Дальнейшее развитие конструкций генератора постоянного тока шло необычайно быстрыми темпами. Менее чем за сорок лет динамо-машина приобрела почти полностью форму современного генератора постоянного тока. Правда, обмотка этих динамо-машин была распределена по окружности неравномерно, что ухудшало работу таких генераторов - напряжение в них то возрастало, то снижалось, вызывая неприятные толчки.

В 1870 году Зенобей Грамм предложил особую, так называемую кольцевую обмотку якоря динамо-машины. Равномерное распределение обмотки якоря давало возможность получать совершенно равномерное напряжение в генераторе и такое же вращение двигателя, что значительно улучшило свойства электрических машин. По существу, изобретение это повторяло то, что было уже создано и описано в 1860 году итальянским физиком Пачинноти, но прошло незамеченным и осталось неизвестным 3. Грамму. Машины с кольцевым якорем получили особенно большое распространение после того, как на Венской всемирной выставке в 1873 году была обнаружена обратимость электрических машин Грамма: одна и та же машина при вращении якоря давала электрический ток, при протекании тока через якорь вращалась и могла быть использована в качестве электродвигателя.

С этого времени начинается быстрый рост применения электродвигателей и все расширяющееся потребление электроэнергии, чему немало способствовало изобретение П. Н. Яблочковым способа освещения с помощью так называемой "свечи Яблочкова" - дуговой электролампы с параллельным расположением углей.

Простота и удобство "свечей Яблочкова", заменивших дорогие, сложные и громоздкие дуговые фонари с регуляторами для непрерывного сближения сгорающих углей, вызвали их повсеместное распространение, и вскоре "свет Яблочкова", "русский" или "северный" свет, освещал бульвары Парижа, набережные Темзы, проспекты столицы России и даже древние города Камбоджи. Это было подлинным триумфом русского- изобретателя.

Но для питания этих свечей электроэнергией потребовалось создание особых электрогенераторов, дающих не постоянный, а переменный ток, то есть ток, хотя бы и не часто, но непрерывно меняющий свою величину и направление. Это было необходимо потому, что угли, соединенные с разными полюсами генератора постоянного тока, сгорали неравномерно - анод, подключенный к положительному, сгорал вдвое быстрее катода. Переменный ток попеременно превращал анод в катод и тем самым обеспечивал равномерное сгорание углей. Специально для питания "свечей Яблочкова" и был создан самим П. Н. Яблочковым, а затем усовершенствован французскими инженерами Лонтеном и Граммом генератор переменного тока. Однако о двигателе переменного тока еще не возникало и мысли.

Вместе с тем для раздельного питания отдельных свечей от генератора переменного тока изобретателем был создан особый прибор - индукционная катушка (трансформатор), позволявший изменять напряжение тока в любом ответвлении цепи в соответствии с числом подключенных свечей. Вскоре растущие потребности в электроэнергии и возможности получения ее в больших количествах вступили в противоречие с ограниченными возможностями передачи ее на расстояние. Применявшееся в то время низкое напряжение (100-120 вольт) постоянного тока и передача его по проводам сравнительно небольшого сечения вызывали огромные потери в линиях передачи. С конца 70-х годов прошлого столетия основной проблемой, от успешного решения которой зависело все будущее электротехники, стала проблема передачи электроэнергии на значительные расстояния без больших потерь.

Первое теоретическое обоснование возможности передачи любых количеств электроэнергии на любые расстояния по проводам сравнительно небольшого диаметра без значительных потерь путем повышения напряжения было дано профессором физики Петербургского лесного института Д. А. Лачиновым в июле 1880 года. Вслед за этим французский физик и электротехник Марсель Депре в 1882 году на Мюнхенской электротехнической выставке осуществил передачу электроэнергии в несколько лошадиных сил на расстояние 57 километров с коэффициентом полезного действия в 38 процентов.

Позднее Депре произвел еще ряд опытов, осуществив передачу электроэнергии на расстояние в сотню километров и доведя мощность передачи до нескольких сот киловатт. Дальнейшее увеличение расстояния требовало значительного повышения напряжения. Депре довел его до 6 тысяч вольт и убедился, что изоляция пластин в коллекторе генераторов и электродвигателей постоянного тока не позволяет достигнуть более высокого напряжения.

Несмотря на все эти трудности, в начале 80-х годов развитие промышленности и концентрация производства все более и более настоятельно требовали создания нового двигателя, более совершенного, чем широко распространенная паровая машина. Уже было ясно, что электростанции выгодно строить вблизи месторождений угля или на реках с большим падением воды, в то время как фабрики возводить поближе к источникам сырья. Это зачастую требовало передачи огромных количеств электроэнергии к объектам ее потребления на значительные расстояния. Такая передача была бы целесообразна лишь при применении напряжения в десятки тысяч вольт. Но получить такое напряжение в генераторах постоянного тока было невозможно. На помощь пришли переменный ток и трансформатор: пользуясь ими, стали производить переменный ток низкого напряжения, затем повышать его до любой требуемой величины, передавать на расстояние высоким напряжением, а на месте потребления снова снижать до требуемого и использовать в токоприемниках.

Еще не существовало электродвигателей переменного тока. Ведь уже в начале 80-х годов электроэнергия потреблялась главным образом для силовых нужд. Электродвигатели постоянного тока для привода самых различных машин применялись все чаще и чаще. Создать электродвигатель, который мог бы работать на переменном токе, стало основной задачей электротехники. В поисках новых путей всегда необходимо оглянуться назад. Не было ли в истории электротехники чего-либо такого, что могло бы подсказать путь к созданию электродвигателя переменного тока? Поиски в прошлом увенчались успехом. Вспомнили: еще в 1824 году Араго демонстрировал опыт, положивший начало множеству плодотворных исследований. Речь идет о демонстрации "магнетизма вращения". Медный (не магнитный) диск увлекался вращающимся магнитом.

Возникла идея, нельзя ли, заменив диск витками обмотки, а вращающийся магнит вращающимся магнитным полем, создать электродвигатель переменного тока? Наверное, можно, но как получить вращение магнитного поля?

В эти годы было предложено много различных способов применения переменного тока. Добросовестный историк электротехники должен будет назвать имена различных физиков и инженеров, пытавшихся в середине 80-х годов создать электродвигатели переменного тока. Он не забудет напомнить об опытах Бейли (1879 г.), Марселя Депре (1883 г), Бредли (1887 г.), о работах Венстрома, Хазельвандера и многих других. Предложения, несомненно, были очень интересны, но ни одно из них не могло удовлетворить промышленность: электродвигатели их были либо громоздки и неэкономичны, либо сложны и ненадежны. Не был еще найден сам принцип постройки простых экономичных и надежных электродвигателей переменного тока.

Именно в этот период и начал, как мы уже знаем, поиски решения этой задачи Никола Тесла. Он шел своим путем, путем размышлений над сущностью опыта Араго, и предложил коренное решение возникшей проблемы, сразу же оказавшееся приемлемым для практических целей. Еще в Будапеште весной 1882 года Тесла ясно представил себе, что если каким-либо образом осуществить питание обмоток магнитных полюсов электродвигателя двумя различными переменными токами, отличающимися друг от друга лишь сдвигом по фазе, то чередование этих токов вызовет переменное образование северного и южного полюсов или вращение магнитного поля. Вращающееся магнитное поле должно увлечь и обмотку ротора машины.

Построив специальный источник двухфазного тока (двухфазный генератор) и такой же двухфазный электродвигатель, Тесла осуществил свою идею. И хотя конструктивно его машины были весьма несовершенны, принцип вращающегося магнитного поля, примененный в первых же моделях Теслы, оказался правильным.

Рассмотрев все возможные случаи сдвига фаз, Тесла остановился на сдвиге в 90°, то есть на двухфазном токе. Это было вполне логично - прежде чем создавать электродвигатели с большим числом фаз, следовало начать с тока двухфазного. Но можно было бы применить и другой сдвиг фаз: на 120° (трехфазный ток). Не проанализировав теоретически и не осмыслив все возможные случаи, даже не сравнив их между собой (вот в чем большая ошибка Теслы), он все свое внимание сосредоточил на двухфазном токе, создав двухфазные генераторы и электродвигатели и лишь мельком упомянул в своих патентных заявках о многофазных токах и возможности их применения.

Но Тесла не был единственным ученым, вспомнившим об опыте Араго и нашедшим решение важной проблемы. В те же годы исследованиями в области переменных токов занимался итальянский физик Галилео Феррарис, представитель Италии на многих международных конгрессах электриков (1881 и 1882 годы в Париже, 1883 год в Вене и другие). Подготавливая лекции по оптике, он пришел к мысли о возможности постановки опыта, демонстрирующего свойства световых волн. Для этого Феррарис укрепил на тонкой нити медный цилиндр, на который действовали два магнитных поля, сдвинутых под углом в 90°. При включении тока в катушки, попеременно создающие магнитные поля то в одной, то в другой из них, цилиндр под действием этих полей поворачивался и закручивал нить, в результате чего поднимался на некоторую величину вверх. Устройство это прекрасно моделировало явление, известное под названием поляризации света.

Феррарис и не предполагал использовать свою модель для каких-либо электротехнических целей. Это был всего лишь лекционный прибор, остроумие которого заключалось в умелом применении электродинамического явления для демонстраций в области оптики.

Феррарис не ограничился этой моделью. Во второй, более совершенной модели ему удалось достигнуть вращения цилиндра со скоростью до 900 оборотов в минуту. Но за определенными пределами, как бы ни увеличивалась в цепи сила тока, создававшего магнитные поля (другими словами, как бы ни увеличивалась затрачиваемая мощность), достигнуть увеличения числа оборотов не удавалось. Подсчеты показали, что мощность второй модели не превышала 3 ватт.

Несомненно, Феррарис, будучи не только оптиком, но и электриком, не мог не понимать значения произведенных им опытов. Однако ему, по собственному его признанию, и в голову не приходило применить этот принцип к созданию электродвигателя переменного тока. Самое большое, что он предполагал, это использовать его для измерения силы тока, и даже начал конструировать такой прибор.

18 марта 1888 года в Туринской Академии наук Феррарис сделал доклад "Электродинамическое вращение, произведенное с помощью переменных токов". В нем он рассказал о своих опытах и пытался доказать, что получение в таком приборе коэффициента полезного действия свыше 50 процентов невозможно. Феррарис был искренне убежден, что, доказав нецелесообразность использования переменных магнитных полей для практических целей, он оказывает науке большую услугу. Доклад Феррариса опередил сообщение Николы Теслы в Американском институте электроинженеров. Но заявка, поданная для получения патента еще в октябре 1887 года, свидетельствует о несомненном приоритете Теслы перед Феррарисом. Что же касается публикации, то статья Феррариса, доступная для чтения всем электрикам мира, была опубликована лишь в июне 1888 года, то есть после широко известного доклада Теслы.

На утверждение Феррариса, что работы по изучению вращающегося магнитного поля начаты им в 1885 году, Тесла имел все основания возразить, что он занимался этой проблемой еще в Граце, решение ее нашел в 1882 году, а в 1884 году в Страсбурге демонстрировал действующую модель своего двигателя Но, конечно, дело не только в приоритете. Несомненно, оба ученых сделали одно и то же открытие независимо друг от друга: Феррарис не мог знать о патентной заявке Теслы, так же как и последний не мог знать о работах итальянского физика.

Гораздо важнее то, что Г. Феррарис, открыв явление вращающегося магнитного поля и построив свою модель мощностью в 3 ватта, и не думал об их практическом использовании. Более того: если бы ошибочный вывод Феррариса о нецелесообразности применения переменных многофазных токов был принят, то человечество еще несколько лет было бы направлено по ложному пути и лишено возможности широкого использования электроэнергии в самых различных отраслях производства и быта. Заслуга Николы Теслы и заключается в том, что, несмотря на множество препятствий и скептическое отношение к переменному току, он практически доказал целесообразность применения многофазного тока. Созданные им первые двигатели двухфазного тока, хотя и имели ряд недостатков, привлекли внимание электротехников всего мира и возбудили интерес к его предложениям.

Однако статья Галилео Феррариса в журнале "Атти ди Турино" сыграла огромную роль в развитии электротехники. Ее перепечатал один крупный английский журнал, и номер с этой статьей попал в руки другого ученого, теперь заслуженно признанного создателем современной электротехники трехфазного тока.

5. ТРАНСФОРМАТОР ТЕСЛА

Известны различными по конструкции трансформаторы Тесла от простейших с разрядником до современных схем с задающими высокочастотными генераторами для его первичной обмотки, выполненных как на полупроводниковых так и на ламповых схемах.

Схема простейшего трансформатора Тесла:

В элементарной форме трансформатор Теслы состоит из двух катушек, первичной и вторичной, и обвязки, состоящей из разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатора, тороида (используется не всегда) и терминала (на схеме показан как “выход”).

Рисунок 7 - Простейшая схема трансформатора Тесла

Рисунок 8 - Трансформатор Тесла в действии

Первичная катушка построена из 5—30 (для VTTC — катушки Теслы на лампе — число витков может достигать 60) витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная из многих витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от многих других трансформаторов, здесь нет никакого ферромагнитного сердечника. Таким образом, взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у обычных трансформаторов с ферромагнитным сердечником. У данного трансформатора также практически отсутствует магнитный гистерезис, явления задержки изменения магнитной индукции относительно изменения тока и другие недостатки, вносимые присутствием в поле трансформатора ферромагнетика.

Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент — разрядник (искровой промежуток). Разрядник, в простейшем случае, обыкновенный газовый; выполненный обычно из массивных электродов (иногда с радиаторами), что сделано для большей износостойкости при протекании больших токов через электрическую дугу между ними.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора выполняет ёмкостная связь между тороидом, оконечным устройством, витками самой катушки и другими электропроводящими элементами контура с Землей. Оконечное устройство (терминал) может быть выполнено в виде диска, заточенного штыря или сферы. Терминал предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины. Геометрия и взаимное положение частей трансформатора Теслы сильно влияет на его работоспособность, что аналогично проблематике проектирования любых высоковольтных и высокочастотных устройств .

ВЫВОД

Ставшие привычными в нашей повседневной жизни вещи, использующие электроэнергию, являются плодами научной и технической мысли многих поколений ученых. Часто понимание практической ценности и значимости открытых явлений приходило с запозданием или приходило со следующим поколением ученых.

Однако, нельзя не отметить, что именно развитие электротехники, способствовало ускорению технического прогресса. Создание и развитие электрических машин постоянного и переменного тока позволило проектировать гибкие системы управления, что не могло быть реализуемо на двигателях, использующих энергию газа и жидкости. Развитие микропроцессорной техники позволило создавать мощные компьютеры, участвующие в экспериментах физиков-теоретиков, открывающих тайны мироздания (БАК в Церне).

По моему глубокому убеждению, в области электротехники осталось еще не мало загадок, тайн и великих открытий.

Назад Обновлено: 17.10.2019 20:49

You have no rights to post comments

Идея использования электрической энергии для освещения появилась еще у первых исследователей гальванического электричества. В 1801 г. Л. Ж. Тенар, пропуская через платиновую проволоку электрический ток, довел ее до белого накала. В 1802 г. русский физик В. В. Петров, получив впервые электрическую дугу, заметил, что ею может быть освещен «темный покой». Тогда же он наблюдал электрический разряд в вакууме, сопровождавшийся свечением.

Несколько лет спустя английский ученый Г. Дэви также высказывал мысль о возможности освещения электрической дугой. Таким образом, в экспериментальных работах начала XIX в. уже были выявлены три принципиально разные возможности электрического освещения, реализованные позднее в лампах накаливания, дуговых и газоразрядных осветительных приборах, однако до практического их освоения было тогда далеко.

Первые попытки были направлены на создание источника света, действующего вследствие накаливания проводника током. В 1820 г. французский ученый Деларю предложил цилиндрическую трубку с двумя концевыми зажимами для подвода тока и платиновой спиралью в качестве тела накала. Лампа Деларю оказалась непригодной для практического использования. Изобретательская мысль обратилась к отысканию приемлемых материалов для тела накала и технологии его получения.

Бельгийский инженер Жобар в 1838 г., русский изобретатель Барщевский в 1845 г., немецкий механик Г. Гебель в 1846 г., английский физик Д. В. Свон в 1860 г. предлагали новые конструкции и усовершенствования, но ощутимого успеха достигнуто не было. В то же время было установлено, что в качестве тела накала могли быть использованы платина, обугленные растительные волокна или ретортный уголь. Правда, платина была слишком дорогостоящей, а уголь - недолговечным. Для увеличения времени службы лабораторных образцов Г. Гебель в 1856 г. поместил тело накала в вакуум.

К 1860 г. относится создание русским подполковником В. Г. Сергеевым оригинального прожектора (лампы-фары), предназначенного для освещения минных галерей. Телом накала в лампе служила платиновая спираль; предусматривалось водяное охлаждение прибора.

Заметный прогресс в создании электрических осветительных приборов наступил в 70-е годы благодаря работам русского изобретателя А. Н. Лодыгина и американского изобретателя Т. А. Эдисона. В течение 1873-1874 гг. Лодыгин неоднократно устраивал временное электрическое освещение на улицах и в общественных зданиях Петербурга с помощью созданных им светильников.

В качестве тела накала в них использовались стержни из ретортного угля; для увеличения долговечности в ряде образцов (конструкции Лодыгина-Дидрихсона) монтировали несколько стерженьков, автоматически включавшихся взамен сгоравших, а из баллонов откачивали воздух. Лодыгин первым продемонстрировал практическую пригодность и эксплуатационное удобство ламп накаливания, преодолев барьер скептического отношения многих ученых и инженеров к принципиальной возможности осуществления этого вида освещения.

В 1879 г. Эдисон, добившись получения высококачественных материалов для тела накала и улучшения откачки воздуха из баллона, создал лампу с продолжительным сроком службы, пригодную для массового употребления. Особенно стремительное развитие электрического освещения начинается после освоения технологии изготовления вольфрамовых нитей. Способ применения вольфрама (или молибдена) для тела накала впервые дал А. Н. Лодыгин, предложивший в 1893 г. накаливать платиновую или угольную нить в атмосфере хлористых соединений вольфрама (или молибдена) вместе с водородом. Начиная с 1903 г. австрийцы Юст, Ф. Ханаман стали использовать идею Лодыгина в промышленном производстве ламп накаливания.

Введение электрического освещения способствовало развитию различных отраслей электротехники (электромашиностроения, электроизоляционной техники, приборостроения) и в конечном счете создавало объективные условия для перехода к централизованному электроснабжению.

На определенном этапе важная историческая роль в развитии электротехники принадлежала также дуговому освещению. Интерес к разработке дуговых источников света проявился несколько позже, чем к лампам накаливания, так как казалось, что создать конструкцию дуговой лампы, в которой бы обеспечивалась неизменность расстояния между электродами по мере их сгорания, затруднительно. Кроме того, долгое время не удавалось разработать технологию изготовления качественных угольных электродов.

Первые дуговые лампы с ручным регулированием длины дуги построили французы - ученый Ж. Б. Л. Фуко и электротехник А. Ж. Аршро в 1848 г. Эти лампы годились лишь для кратковременного подсвечивания. Изобретательская мысль направляется на создание автоматических регуляторов с часовыми механизмами и с электромагнитными устройствами. В 50-70-х годах это были наиболее распространенные электроавтоматические устройства. Дуговые лампы с регуляторами получили некоторое применение на маяках, для освещения гаваней и больших помещений, требующих интенсивной освещенности.

Однако конструкции электродуговых светильников с регуляторами, на усовершенствование которых было затрачено много усилий, не могли служить для массового применения. Радикальное решение проблемы было найдено русским изобретателем П. Н. Яблочковым, предложившим в 1876 г. дуговую лампу без регулятора - «электрическую свечу».

Решение Яблочкова было гениально просто: расположить электродные угли, изолировав их тонким слоем каолина, параллельно один другому и поставить вертикально. В таком положении по мере сгорания углей расстояние между ними не менялось - они сгорали подобно свече, и нужда в регуляторе отпадала. В процессе совершенствования своего изобретения Яблочков пришел к интереснейшим решениям, которые существенно отразились на всем ходе развития электротехники.

Прежде всего это относилось к освоению на практике переменных токов. В течение всего предшествующего периода применение электричества базировал исключительно на постоянном токе. Сложилось убеждение, что переменный ток не пригоден для технических целей. Для питания же свечей, как заметил Яблочков, лучше подходил переменный ток, обеспечивавший равномерное сгорание обоих углей. В короткий срок осветительные установки по системе Яблочкова были переведены на питание переменным током. Естественным результатом был увеличившийся спрос на генераторы однофазного переменного тока.

Яблочкову принадлежит заслуга решения задачи освещения любым числом ламп от одного генератора. До него каждая дуговая лампа должна была иметь свой источник тока. Яблочков разработал несколько весьма эффективных схем «дробления электрической энергии», одна из которых - дробление посредством индукционных катушек - легла в основу построения электроэнергетических установок переменного тока, а сами индукционные катушки стали заметной вехой на пути создания трансформатора. В схемах Яблочкова впервые появились основные элементы современных энергетических установок: первичный двигатель, генератор, линия передачи и приемники.

Электрические свечи Яблочкова, названные «русский свет», в конце 70-х годов появились на улицах и в общественных зданиях многих столиц мира; они проникли в производственные корпуса крупных заводов, на строительные площадки, верфи и т. п. С осени 1878 г., после основания в Петербурге предприятия П. Н. Яблочкова по изготовлению электрических машин и аппаратов, введение электрического освещения в Россия также заметно ускорилось.

Рост установок дугового электрического освещения вызывал потребность в мощных источниках тока. Появление динамомашины - экономичного электромашинного генератора - способствовало расширению сферы энергетического применения электричества. Разработка относительно дешевого и доступного приемника электрической энергии повлекла за собой зарождение идеи централизованного производства электроэнергии. Таким образом, электродуговое освещение, не войдя в дальнейшем. в практику столь широко, как освещение лампами накаливания, сыграло большую историческую роль в развитии новых направлений электротехники.

Шухардин С. "Техника в её историческом развитии"

При определении даты появления электричества в Российской империи можно пользоваться различными критериями. Если брать во внимание общественный резонанс, то такой датой следует считать 1879 год, когда в Петербурге был освещен электрическими лампами Литейный мост. История с электрификацией этого моста имеет несколько курьезный оттенок. Дело в том, что он был построен после того, как частные компании выкупили монополию у властей города на освещение улиц и мостов через Неву масляными и газовыми фонарями. Как следствие, оказался единственным местом, где на тот исторический момент можно было применить электрическое освещение.

Справедливости ради стоит упомянуть о том, что годом ранее в Киеве для освещения одного из цехов железнодорожных мастерских были задействованы несколько электрических фонарей, однако это событие осталось без внимания широкой публики.

Многие придерживаются мнения, что с юридической точки зрения эра электричества началась 30 января 1880 года, когда в Русском техническом обществе был создан электротехнический отдел. Именно этой вновь созданной структуре и вменялось в обязанности курировать вопросы, связанные с развитием и внедрением электричества в жизнь державы.

К знаковым датам в истории возникновения электричества в России можно отнести и 15 мая 1883 года, когда по случаю вступления на престол Александра ІІІ была выполнена иллюминация Кремля, для чего даже построили на Софийской набережной специальную электростанцию. В этом же году электрифицируется главная улица Петербурга, а через несколько месяцев и Зимний дворец.

В июле 1886 года по Указу императора создается «Общество электрического освещения», которое разрабатывает генеральный план электрификации Москвы и Петербурга.

С 1888 года начинается целенаправленная работа по строительству первых электростанций.

Интересные факты из истории появления электричества в России

При изучении вопроса об электрификации страны можно столкнуться с рядом интересных и любопытных фактов. Так, первым европейским городом, полностью освещенным электрическими фонарями, стало в 1881 году Царское село.

В июле 1892 года был запущен первый в империи электрический трамвай. Это произошло в Киеве. В 1895 году построена первая в России ГЭС на реке Большая Охта в Петербурге. Уже в 1897 году была пущена первая электростанция на Раушской набережной в Москве, которая вырабатывала трехфазный переменный ток, что позволяло передавать его без потери мощности на достаточно большие расстояния.

С начала 20 века электростанции стали строиться и в других городах Российской империи (Курск, Ярославль, Чита, Владивосток). По состоянию на 1913 год электростанции страны суммарно вырабатывали около 2 млн МВт/ч в год электроэнергии.

Источники:

• История изучения электричества

Долгое время человечество существовало без электрической энергии. Но с появлением первой электростанции стало понятно, что это одно из самых важных событий в мире.

Становление новой индустрии

Во второй половине 19 века газовые осветительные лампы заменили на электрические, которые получили подпитку постоянного тока. Произошло это в Нью-Йорке 4 сентября 1882 года. Известный американский изобретатель Томас Альва Эдисон запустил самую первую электростанцию. Это изобретение имело возможность делить современным способом. По силовым кабелям с отводами, проложенными под землей, подавалась электричество определенному потребителю. Вырабатывалась первоначально на блок-станции, которую Эдисон построил в купленном для этой цели доме. Деньги для экспериментального проекта выделил Морган, американский предприниматель, .

Первый запуск электростанции

В день запуска электростанции собрались высокопоставленные лица. Изначально эксперимент проходил благополучно, в момент подключения к первому источнику электроэнергии второго случился неожиданный "цирк". Генераторы затряслись, стали издавать гул, окружающие от испуга разбежались. Работа генераторов, подключенных таким способом, позволила одному из них стать генератором для другого. Томас Эдисон установил несколько генераторов, их общая мощность составила более 500 кВт. Двигатели работали от паровых котлов, которые механически снабжали углем. Ременная в этой системе отсутствовала, а напряжение регулировалось автоматически. Такая электростанция могла обслужить район Нью-Йорка, он составлял 2,5 квадратных километра площади.

Первая электростанция подавала ток низкого напряжения, следовательно происходили большие потери в электрических проводах. Они нагревались, эффективность подачи энергии на расстояние терялась. Из-за этих неудобств приходилось создавать электростанции в центре города, а значит возникала трудность с очередными вложениями средств. Проблема усугублялась недостаточностью земельных участков, их дороговизной. Поэтому первые электростанции выполняли в США в многоэтажках. Безусловно подвоз топлива и воды создавал определенные трудности.

Бесплатный эксперимент

Изначально первая электростанция обслуживала потребителей бесплатно, т.к. считалась экспериментальной. Эта станция не имела измерительных систем учета. Существовало только реле, которое необходимо было для выключения станции в случае перегруза в сети. А каждый генератор имел свой индивидуальный выключатель. Современное общество не имеет возможности увидеть воочию первую электростанцию, т.к. она не дожила до наших дней.

Видео по теме