История развития электротехники
На заре становления человека единственным источником энергии была живая мускульная сила. Потом появился огонь, позже парус, помогавший ловить энергию ветра. Но не только силу ветра использовали в те далекие времена. С помощью водяного колеса поднимали воду на поля для орошения, мололи зерно. В ХI веке в Европе появляются ветряные мельницы. Великие географические открытия и расширение торговли стимулируют развитие техники и науки. В 1666 году приобретает официальный статус Парижская Академия. В 1724 году в России открывается Петербургская Академия наук. В эти годы закладываются основы современной математики, физики, химии и горного дела. Водяные колеса на Руси приводят в действие мукомольни, пушечные и металлические заводики. К середине XVIII века водяные колеса становятся основным видом привода в различных производствах.
Но настоящая революция в промышленности начинается с изобретением паровой машины, позволившей преобразовывать в движение и работу теплоту, запасенную в угле, дровах и торфе. Первая паровая машина была построена в Европе и представляла цилиндр с поршнем, который поднимался действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 паровые машины и для выкачивания воды из копей. Окончательные усовершенствования в паровой машине были сделаны Уаттом в 1769 г. . Это пример ситуации, когда техническое решение, найденное мастерами - умельцами, опережает науку, но стимулирует ее развитие для поиска способов повышения эффективности. Цикл Карно, лежащий в основе, был предложен только в 1824 г.
Россия оказалась одной из первых стран, где использовались паровые машины. Уже в 1820 году в Нижнем Тагиле на демидовских заводах механиком Е. Черепановым была пущена паровая машина, а в 1834 году и первый паровоз. Паровая машина – одно из немногих изобретений, которое изменило картину мира, привело к революционному преобразованию промышленности и транспорта, открыло путь для новых научных открытий и подготовило вступление в золотой век электричества.
Базой новых революционных изменений промышленности становятся достижения электротехники, отрасли науки и техники, связанной с применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, получения и изменения химического состава веществ, производства и обработки материалов, передачи информации, позволяющей решать вопросы получения, преобразования и использования электрической энергии в практической деятельности человека.
Возникновению электротехники предшествовал длительный период накопления знаний об электричестве и магнетизме, в течение которого были сделаны лишь отдельные попытки применения электричества в медицине, а также для передачи сигналов. В 1600 г. в свет вышел труд У. Гилберта «О магните, магнитных телах и о большом магните Земле», в котором были обобщены научные данные того времени о магнетизме и электричестве и впервые доказано существование магнитного поля Земли. В XVII-XVIII вв. исследованию природы электрических явлений были посвящены труды М. В. Ломоносова, Г. В. Рихмана, Б. Франклина, Ш. О. Кулона, и др. Для становления электротехники решающее значение имело появление первого источника непрерывного тока - вольтова столба, а затем более совершенных гальванических элементов, что позволило в начале XIX в. провести многочисленные исследования химических, тепловых, световых и магнитных явлений, вызываемых электрическим током. В этот период были заложены основы электродинамики, открыт важнейший закон электрической цепи - закон Ома.
Среди попыток практического использования результатов этих достижений наиболее значительными были работы в телеграфии (электромагнитный телеграф П. Л. Шиллинга,1832), в военном деле (гальваноударные морские мины Б. С. Якоби, 1840-е гг.). Открытие электромагнитной индукции (1831-32) предопределило появление электрических машин - двигателей и генераторов. Поскольку все первые потребители электроэнергии использовали наиболее изученный постоянный ток, первые электрические машины были машинами постоянного тока. Исторически электродвигатели стали создаваться раньше электромашинных генераторов, поскольку гальванические источники тока пока удовлетворяли требованиям практики.
Период развития конструкции электродвигателя до промышленного образца с вращающимся якорем, предложенным Б.С. Якоби (1834--38), занял около 50 лет. Дальнейшее совершенствование требовало создания более экономичного источника электроэнергии. Первыми такими источниками стали магнитоэлектрические генераторы, в которых магнитное поле создавалось постоянными магнитами, а якорями служили массивные индуктивные катушки (Якоби, 1842). Следующий шаг связан с использованием для возбуждения обмотки электромагнита тока самого генератора. Уже к 80-м гг. XIX в. электрические машины постоянного тока приобрели основные конструктивные черты современных машин.
Наряду с электромашинными генераторами продолжали развиваться и химические источники тока. В 1859 г. был изобретен свинцовый аккумулятор, что расширило возможности покрытия потребностей в электрической энергии для практических целей.
Дальнейшее развитие электротехники связано с возникновением электротехнической промышленности и массовым распространением электрического освещения в замен газового. Идея применения электрической энергии для освещения была высказана Петровым ещё в 1802 после открытия дуги электрической. Первыми электрическими источниками света были разнообразные дуговые угольные лампы, среди которых наиболее дешёвой и простой была "свеча Яблочкова". В 1870-75 А. Н. Лодыгин разработал несколько типов ламп накаливания, усовершенствованных позднее Т. А. Эдисоном и получивших преимущественное распространение к концу XIX в. С распространением электрического освещения связано создание первых электроэнергетических систем. Уже в осветительных устройствах Яблочкова имелись все основные элементы энергосистем: первичный двигатель, генератор, линия электропередачи, трансформатор, приёмник энергии.
Однако существенное расширение области практического использования электрической энергии стало возможно лишь с решением проблемы передачи электроэнергии на расстояние. В 1874 Ф. А. Пироцкий пришёл к выводу об выгоде производства электроэнергии в местах, где имеются дешёвые первичные энергоресурсы, с последующей передачей её к потребителю. В 1880-81 Д. А. Лачинов и М. Депре независимо друг от друга предложили для уменьшения потерь электроэнергии в линии электропередачи (ЛЭП) использовать повышенное напряжение. Первая линия электропередачи на постоянном токе длиной 57 км и напряжением 1.5-2 кв была построена в Германии в 1882 г. Однако попытки осуществить электропередачу на постоянном токе оказались неэффективными. Поэтому активно велись работы по применению для передачи переменного однофазного тока, напряжение которого можно было регулировать с помощью трансформатора. Создание промышленного типа трансформатора решило проблему передачи электроэнергии. Однако широкое распространение однофазного переменного тока в промышленности было невозможно из-за того, что однофазные электродвигатели не удовлетворяли требованиям промышленного электропривода.
В конце XIX века промышленное использование электроэнергии превратилось в важнейшую комплексную технико-экономическую проблему, для решения которой наряду с повышением КПД передачи необходимо было иметь электродвигатель, удовлетворяющий требованиям электропривода. Решение этой проблемы стало возможным после создания трёхфазных систем переменного тока. Над этой проблемой работали многие инженеры и учёные, но комплексное решение предложил в конце 80-х гг. М. О. Доливо-Добровольский, который разработал ряд промышленных конструкций трёхфазных асинхронных двигателей, трёхфазных трансформаторов, и в 1891 построил в Германии трёхфазную линию электропередачи длиной 170 км от ГЭС в Лауфен до Франкфурта, где проходила международная выставка. Интересно, что первая передача стимулировала разработку и коммутационной аппаратуры, необходимой для отключения. Без неё приходилось устраивать к.з., при котором сгорали плавкие вставки, разгонялся генератор и машинист перекрывал подачу воды в турбину.
Ниже в хронологическом порядке перечислены наиболее важные и фундаментальные события в истории развития электротехники.
| 1753г. | Ломоносов Михаил Васильевич | Опубликовал первую крупную работу в области электричества "Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих" |
| 1753г. | Рихман Георг Вильгельм | Предложил первую работающую модель электрометра со шкалой |
| 1789г. | Франклин Бенджамин | Исследовал атмосферное электричество; предложил молниеотвод |
| 1799г. | Вольта Александро | Создал электрохимический источник постоянного тока (вольтов столб); открыл контактную разность потенциалов |
| 1800г. | Гальвани Луиджи | Обнаружил контактную разность потенциалов при контакте металла с электролитом |
| 1802г. | Петров Василий Владимирович | Открыл электрическую дугу и указал, что "темный покой довольно ярко освещен быть может"; исследовал химическое действие тока, электропроводность, люминесценцию, электрические явления в газах; |
| 1819г. | Эрстед Ханс Кристиан | Открыл магнитное действие электрического тока |
| 1820г. | Ампер Андре Мари | Установил взаимодействие токов, предложил теорию магнетизма и термин"электрический ток" |
| 1826г. | Ом Георг Симон | Установил закон о связи между силой тока в проводнике и напряжением на его концах, названный его именем (закон Ома) и ставший основой для расчетов в электрических цепях. |
| 1831г. | Фарадей Майкл | Открыл электромагнитную индукцию; установил законы электролиза; ввел понятия электрического и магнитного поля; высказал идею существования электромагнитного поля |
| 1832г. | Генри Джозеф | Открыл явление самоиндукции |
| 1832г. | Шиллинг Павел Львович | Изобрел электромагнитный телеграф |
| 1833г. | Ленц Эмилий Христианович ( | Установил правило для определения индукционного тока; совместно с Б.С.Якоби разработал методы расчета электромагнитов; открыл обратимость электрических машин; обосновал (1843г.) тепловой закон электрического тока (одновременно с Д.П.Джоулем), |
| 1834г. | Якоби Борис Семенович | Изобрел электродвигатель; создал гальванопластику и гальваностегию (1838), телеграфные аппараты; исследовал электромагниты (совместно с Ленцем) |
| 1843г. | Джоуль Джеймс Прескотт | Установил (одновременно с Ленцем)тепловой закон электрического тока, названный законом Джоуля-Ленца |
| 1847г. | Кирхгоф Густав Роберт | Открыл законы для расчета электрических цепей постоянного и синусоидального тока, названные его именем (первый и второй законы Кирхгофа) |
| 1872г. | Лодыгин Александр Николаевич | Изобрел угольную лампу накаливания (патент 1874г.); один из основателей электротермии. |
| 1872г. | Столетов Александр Григорьевич | Исследовал закон намагничивания железа и газовый разряд; открыл законы фотоэлектрического эффекта (1879) |
| 1873г. | Максвелл Джеймс Клерк | Создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла); ввел понятие тока смещения; предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света ("Трактат об электричестве и магретизме") |
| 1875г. | Я блочков Павел Николаевич | Изобрел дуговую лампу (свеча Ябочкова) и трасформатор; положил начало системе электрического освещения; разрабатывал электрические машины и химические источники тока |
| 1880г. | Пироцкий Фёдор Аполлонович | Первым в России провёл на ветке Сестрорецкой железной дороги испытания вагона, приводимого в движение электродвигателем, причём токопроводом служили изолированные от земли рельсы, по которым катился вагон. |
| 1880г. | Лачинов Дмитрий Александрович | Доказал возможность передачи электроэнергии по проводам на значительные расстояния |
| 1881г. | Депре Марсель | Обосновал возможность передачи электроэнергии по проводам на большие расстояния и построил первую в мире ЛЭП постоянного тока (1882) длиной 57км |
| 1888г. | Славянов Николай Гаврилович | Разработал сварку металлическим электродом |
| 1888г. | Доливо-Добровольский Михаил Осипович | Показал оптимальность системы трехфазного тока, создал трехфазный синхронный генератор, а в 1889 и 1890гг. - двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором; в 1891г. предложил трехфазный трансформатор, осуществил первую электропередачу трехфазного тока |
| 1886- 1889гг. | Герц Генрих Рудольф | Экспериментально доказал существование электромагнитных волн, подтвердил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн |
| 1895г. | Попов Александр Степанович | Изобрел радио |
Ниже рассмотрим подробнее некоторые открытия наиболее важные для развития направления «Электроэнергетика и электротехника».
1. Закон Ома. Определяет взаимосвязь, установленную экспериментально, между током и напряжением для участка электрической цепи при постоянной температуре проводника.
,
где R- сопротивление участка электрической цепи постоянного тока, прямо пропорциональное длине проводника и обратно пропорциональное площади его поперечного сечения и зависит от материала проводника:
R=ρl/S,
где ρ -удельное сопротивление, l -длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.
На основе закона Ома можно определить потери мощности на участке
.
Различные соотношения, характерные для участка цепи, можно представить мнемонической диаграммой закона Ома, показанной на рисунке 1.1..
Рисунок 1.1. Диаграмма закона Ома
2. Правила Кирхгофа. Важную роль в анализе режимов электрических цепей играют правила (законы), сформулированные Густавом Кирхгофом в 1845 году. Они определяют соотношения, которые выполняются между токами и напряжениями на участках любой электрической цепи. Правила Кирхгофа позволяют рассчитывать любые электрические цепи постоянного и переменного тока и имеют особое значение в электротехнике из-за своей универсальности, так как пригодны для решения многих задач в теории электрических цепей и практических расчётов сложных электрических сетей. Применение правил Кирхгофа к линейной электрической цепи позволяет получить систему линейных уравнений относительно токов или напряжений, и соответственно, найти значение токов на всех ветвях цепи и все напряжения между узлами.
Первое правило Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов в каждом узле любой цепи равна нулю. При этом направленный к узлу ток принято считать положительным, а направленный от узла — отрицательным:
.
Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает, что следует из фундаментального закона сохранения заряда.
Второе правило Кирхгофа утверждает, что алгебраическая сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру цепи, равна алгебраической сумме ЭДС ветвей этого контура.
Если в контуре нет источников ЭДС, то суммарное падение напряжений в нём равно нулю.
В сложных цепях уравнения, составленные для независимых узлов и независимых контуров формируют систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), решение которой позволяет найти все токи и напряжения при заданном напряжении в одном из узлов..
3. Закон Кулона. Основным первичным понятием в электродинамике является понятие заряда. Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.
Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:
· Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.
· Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
· Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.
Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда- в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.
Исследование взаимодействия электрических зарядов были начаты еще Рихманом в 1752 г.. Но только с изобретением точных крутильных весов проведя большое количество опытов с металлическими шариками, Шарль Кулон в 1785 г открыл закон, количественно определяющий силу взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме, как прямо пропорциональную произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональную квадрату расстояния между ними, являющуюся силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы
.
Здесь коэффициент пропорциональности k определяется свойствами среды и называется диэлектрической проницаемостью ее.
Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, установленным экспериментально, и не следует ни из какого другого закона природы. Закон сформулирован для точечных зарядов в вакууме.
Закон Кулона является первым открытым количественным и сформулированным на математическом языке фундаментальным законом для электромагнитных явлений. С открытия закона Кулона началась современная наука об электромагнетизме.