Очерки по истории электротехники (книга)

Главная » Статьи » Статьи и книги по энергетике » Очерки по истории электротехники (книга)

Очерки по истории электротехники

Веселовский О. Н. В., Шнейберг Я. А.

1993

Излагаются основные этапы развития электротехники, раскрываются ее сложные взаимосвязи с социальным, экономическим, экологическими процессами. Рассказывается об установлении важнейших законов электромеханики, об истории развития электрических машин, трансформаторов и многих других электрохимических устройств и приборов, о зарождении и развитии электроники. Для преподавателей электротехнических дисциплин вузов, а также студентов, аспирантов, инженеров и научных сотрудников, интересующихся историей электротехники.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В связи с усилением гуманитаризации и гуманизации высшего технического образования возрастает потребность в учебных пособиях, освещающих историю культуры, естествознания и отдельных отраслей науки и техники.

Настоящая работа предназначена для студентов электротехнических специальностей и для начинающих преподавателей электротехнических дисциплин, недостаточно знакомых с историей развития электротехники, а также преподавателей, занимающихся на факультетах повышения квалификации по электротехническим специальностям. Авторы надеются, что книга окажется полезной и для преподавателей, ведущих занятия по курсу «Введение в специальность». Отдельные главы книги могут представлять интерес для аспирантов и инженеров электротехнических специальностей.

Ранее опубликованные авторами совместно с профессорами Л. Д. Белькиндом и И. Я. Конфедератовым учебное пособие по истории энергетической техники (1960 г.), а также пособие авторов «Энергетическая техника и ее развитие» (1976 г.) давно уже стали библиографической редкостью.

Авторы назвали настоящее пособие «Очерками по истории алектротехники», так как ограничились освещением истории наиболее важных этапов развития алектротехники, ориентируясь на программу дисциплины «История электротехники», читаемой много лет на факультете повышения квалификации Московского энергетического института преподавателям по специальности «Общая электротехника». Обычно цикл таких лекций вызывает у слушателей большой интерес. Естественно, что в «Очерках» авторы не смогли проанализировать целый ряд проблем из истории электротехники и заранее благодарят всех читателей за их замечания и пожелания, которые просят направлять по адресу: 105835, Москва, Е-250, Красноказарменная, 14, Издательство МЭИ.

Авторы выражают благодарность рецензентам рукописи — кол-лек гиву кафедры электротехники и электрооборудования Московского института приборостроения, возглавляемой докт. техн. наук проф. В. Е, Шатерниковым, и докт. техн. наук проф. А. В. Нету-шилу за их ценные замечания и советы.

ВВЕДЕНИЕ

Быть может, читатель этой книги — студент или инженер-электрик, а, возможно, и преподаватель электротехнических дисциплин — увидев только ее название, подумает: А нужно ли ему знать историю электротехники, тем более, если современную электротехнику он знает достаточно хорошо?

А нам хотелось бы задать ему встречный вопрос: можно ли представить хорошего музыканта, не знающего истории музыки или художника (тоже, конечно, хорошего), не изучившего истории живописи?

Наверное, читатель согласится, что такого музыканта или художника представить трудно. А вот инженера или преподавателя, не знающего истории своей специальности, оказывается представить можно. Недостаток обшей культуры, узкое технократическое мышление — одна из причин, по которой наш огромный инженерный корпус давно уже подорвал свой престиж.

А сегодня в условиях перестройки всех сфер жизни общества страна ждет от высшей школы подготовки специалистов, можно сказать, экстракласса, которые могли бы обеспечить выход отечественной науки и техники на высшие мировые рубежи. Но для этого специалисту недостаточно владеть только узкопрофессиональными знаниями. Он должен быть всесторонне образованной, высоко нравственной личностью, владеющей самыми современными методами организации и управления производственными процессами.

В современном взаимосвязанном, противоречивом и бурно развивающемся мире, развитие науки и техники тесно связано с социальными, экономическими, историческими, экологическими процессами. Чтобы творчески решать актуальные научно-технические проблемы инженеру нужно уметь глубоко осмысливать все эти сложные взаимосвязи научно-технического прогресса, овладеть целостным научным мировоззрением, умением творчески применять диалектические методы в любой сфере своей деятельности.

Поэтому сейчас в высшей технической школе все большее внимание удаляется гуманизации и гуманитаризации образования, воспитанию всесторонне образованной, духовно богатой личности, обладающей высокой культурой и нравственностью, подлинной 4 интеллигентностью, способной к самостоятельной творческой работе, к непрерывному самообразованию.

Именно гуманитарные знания помогут нашим молодым специалистам преодолеть технократическое и узкопрофессиональное мышление, ориентировать их на общечеловеческие ценности, демократизм и гуманизм.

Изучение истории развития естествознания, истории конкретной отрасти науки и техники безусловно будет существенно способствовать гуманизации и гуманитаризации высшего технического образования.

При этом особенно важно, чтобы отдельные факты из истории электротехники естественно вплетались в ткань изложения конкретных разделов электротехники и электроники. Формирование научного мировоззрения на основе изучения той или иной области науки и техники является наиболее естественным и рациональным путем, отвечающим требованиям и диалектики, и дидактики.

Многолетний опыт чтения лекций по электротехнике и электронике, накопленный авторами, убедительно подтверждает целесообразность изложения фактов из истории электротехники именно в конкретной связи с изучением того или иного раздела. Но ни в коем случае нельзя ограничиваться только перечнем фамилий выдающихся деятелей науки и техники, нужно показать их вклад в фундамент современной электротехники (к сожалению, некоторые преподаватели лишь на вводной лекции перечисляют фамилии крупнейших ученых и инженеров, отмечая обшей фразой их заслуги перед отечественной и мировой электротехникой).

А ведь жизнь и творческий путь наиболее выдающихся деятелей науки и техники могут служить примером истинного гуманизма, высоких гражданских нравственных позиций. И если преподаватель, объясняя, например, какое-либо электротехническое устройство — будь то трансформатор или асинхронный двигатель, хотя бы кратко расскажет, когда, кто и как создавал это устройство, пояснит логику инженерной мысли, пути преодоления неизбежных в процессе творчества трудностей, нередко связанных с социальными, общественными проблемами, ярко обрисует незаурядность личности инженера или ученого, то воспитательный эффект окажется более результативным.

На электротехнических кафедрах немало преподавателей, знающих современную электротехнику и электронику и хорошо владеющих математическим аппаратом, которые на лекции, посвященной, интеллигентностью, способной к самостоятельной творческой работе, к непрерывному самообразованию.

Именно гуманитарные знания помогут нашим молодым специалистам преодолеть технократическое и узкопрофессиональное мышление, ориентировать их на общечеловеческие ценности, демократизм и гуманизм.

Изучение истории развития естествознания, истории конкретной отрасти науки и техники безусловно будет существенно способствовать гуманизации и гуманитаризации высшего технического образования.

При этом особенно важно, чтобы отдельные факты из истории электротехники естественно вплетались в ткань изложения конкретных разделов электротехники и электроники. Формирование научного мировоззрения на основе изучения той или иной области науки и техники является наиболее естественным и рациональным путем, отвечающим требованиям и диалектики, и дидактики.

Многолетний опыт чтения лекций по электротехнике и электронике, накопленный авторами, убедительно подтверждает целесообразность изложения фактов из истории электротехники именно в конкретной связи с изучением того или иного раздела. Но ни в коем случае нельзя ограничиваться только перечнем фамилий выдающихся деятелей науки и техники, нужно показать их вклад в фундамент современной электротехники (к сожалению, некоторые преподаватели лишь на вводной лекции перечисляют фамилии крупнейших ученых и инженеров, отмечая обшей фразой их заслуги перед отечественной и мировой электротехникой).

А ведь жизнь и творческий путь наиболее выдающихся деятелей науки и техники могут служить примером истинного гуманизма, высоких гражданских нравственных позиций. И если преподаватель, объясняя, например, какое-либо электротехническое устройство — будь то трансформатор или асинхронный двигатель, хотя бы кратко расскажет, когаа, кто и как создавал это устройство, пояснит логику инженерной мысли, пути преодоления неизбежных в процессе творчества трудностей, нередко связанных с социальными, общественными проблемами, ярко обрисует незаурядность личности инженера или ученого, то воспитательный эффект окажется более результативным.

На электротехнических кафедрах немало преподавателей, знающих современную электротехнику и электронику и хорошо владеющих математическим аппаратом, которые на лекции, посвященной, например, асинхронным двигателям, рассказывают о принципе их действия, особенностях конструкции, изображают на доске их модели, пишут уравнения электрического состояния, выводят формулы, но не показывают особенностей истории развития этих двигателей, не раскрывают логику инженерной мысли и творческой методологии изобретателя, пути преодоления противоречий в процессе создания двигателя. А без этого трудно научить студента творчески, логически мыслить, нельзя увлечь его своеобразной романтикой инженерного поиска, возбудить желание попробовать свои силы в решении пусть пока не очень сложных конкретных технических задач, активней включиться в научно-исследовательскую работу.

Только на конкретных примерах зарождения, развития и совершенствования каких-либо технических устройств можно познать диалектику научно-технического прогресса.

Преподавателям технических дисциплин нужно умело показывать закономерности развития той или иной отрасли техники, ее тесную взаимосвязь не только с другими техническими науками, но и с общественными явлениями, воспитывать у студента материалистический подход к оценке явлений научно-технического прогресса.

Для этого — нам хотелось ещё раз подчеркнуть, — каждому преподавателю необходимо хорошо знать не только современное состояние конкретной отрасли техники, но и историю ее развития,

В условиях научно-технической революции резко возросла ответственность ученого и инженера за социальные последствия своей деятельности. Исключительную роль для будущего инженера, ученого приобретает умение изыскивать наиболее эффективные методы организации и управления производством, планирования и прогнозирования научно-технической деятельности. Опыт поколений показывает, что нужно хорошо знать прошлое, чтобы ориентироваться в настоящем и предвидеть будущее.

Нам могут возразить, что для освещения вопросов истории электротехники или другой области техники, раскрытия творческой методологии выдающихся деятелей науки и техники нет времени, что число часов, отведенных для лекций, и без того недостаточно. Но важно не только ЧТО, но и КАК излагать на лекции. Ведь, чего греха таить, есть ещё у нас преподаватели, читающие лекции по старым конспектам, пересказывающие учебники, излагаюшие нередко описательный материал, повторяющие разделы, которые уже налагались в других дисциплинах, например, в физике.

Многолетний опыт показывает, что при тщательной методической отработке, и, если хотите, режиссуре лекции, она может нести огромный воспитательный, гуманитарный заряд! Правда, для этого преподавателю следует творчески относиться к своей работе, неустанно повышать свою квалификацию, стремиться к овладению сокровищами мировой культуры.

К сожалению, пока еще значительная часть учебников и учебных пособий по техническим дисциплинам не удовлетворяет требованиям, обеспечивающим процесс формирования научного мировоззрения и гуманитаризации обучения. В них обычно излагаются уже разработанные теоретические положения, сообщаются те или иные законы, описываются конструкции и принцип действия конкретных технических устройств. Но при этом остается в тени процесс «добывания знаний», позволивший достичь современного уровня, недостаточно раскрываются перспективы развития, не показываются противоречия и логика инженерно-технических решений и роль неустанной познавательной деятельности человека, его стремление использовать добытые знания для практических целей.

К сожалению, также нет и современных книг по истории электротехники. Поэтому авторами в ответ на обращение Президиума научно-методического совета по электротехнике Гособразования СССР (1988 г.) были написаны эти краткие очерки.

Это учебное пособие ни в коей мере не претендует на роль фундаментального труда по истории электротехники. И будучи ограниченными объемом книги, авторы постарались хотя бы кратко осветить лишь наиболее значительные факты из истории электротехники. При этом успехи современной электротехники в книге почти не освещаются за исключением становления электроники, являющейся одним из важнейших «ответвлений» электротехники. Авторы полагали, что материалы о современных особенностях и путях развития электротехники и электроники довольно подробно освещены в литературе и вполне доступны для их изучения.

ГЛАВА 1 ТЕХНИКА И ЧЕЛОВЕК. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

1.1. Техника и некоторые закономерности ее развития

С древнейших времен человек, используя простейшие орудия и средства труда, которые он постепенно совершенствовал, начал добывать себе пишу, изготавливать одежду, строить жилище, т.е. все то, без чего он не мог существовать.

Как известно, средства труда — это материальные вещи или комплексы вещей, которые человек ставит между собой и предметом труда, чтобы воздействовать на тот или иной предмет труда будь то камень, дерево, земля.

Слово «техника» произошло от древнегреческого слова « техне », что означает умение,  мастерство. Оно и сейчас применяется для оценки мастерства артистов, музыкантов, спортсменов, в тех областях человеческой деятельности, в которых результат трудового процесса преимущественно зависит от личных качеств.

Эффективность же труда гораздо больше зависит от используемых средств труда, поэтому и слово «техника» применительно к трудовому процессу постепенно все более стало характеризовать не мастерство исполнителя, а применяемые средства труда, которые и получили название «техника».

Проходят тысячелетия, и человек, обогащаясь знаниями, познавая простейшие законы природы, становится создателем материальных благ — главной силой, определяющей развитие общества. Темпы развития все более заметно убыстряются. Как писал К. Маркс, «Медленно начинает история свой бег от невидимой точки, вяло совершая вокруг нее свои обороты, но круги ее все растут, все быстрее и живее становится полет, наконец, она мчится подобно пылающей комете, от звезды к звезде, часто касаясь старых своих путей, часто пересекая их, и с каждым оборотом все больше принижается к бесконечности». Так образно обрисована картина все злее убыстряющегося научно-технического прогресса, свидетелем которого мы являемся. И все это оказалось возможным благодаря знаниям, таланту, творчеству миллионов людей, которые буквально на наших глазах заменяют окружающий нас мир. Природа покоряется человеку, который познает ее законы и применяет их в процессе труда. Но во все времена определяющим фактором производственной, созидательной деятельности был человеческий труд, включающий не только его физические усилия, но и интеллектуальный, нравственный, культурный потенциал. Поэтому техника — это только продукт деятельности, она дает представление и об уровне «фического и духовно-нравственного развития человека той или иной эпохи. Поэтому легко показать взаимное влияние развития техники и человека.

По мере познания законов природы человек создавал новые более совершенные средства труда, уточнял их конструктивные нормы, расширял технические приемы их использования. В процессе труда изменялись формы, состав, структура материала — предмета труда. Но такие изменения неизменно были связаны с затратами энергии, как в пределах одного ее вида, так и и переходах ее из одной формы в другую. Поэтому все производственные процессы являются энергетическими. Следовательно, в процессе труда человек использует вещество энергию природы.

Техника, являясь элементом производительных сил общества, связана и со способом производства, который включает в себя производственные отношения. Естественно, что развитие общества тесно взаимосвязано с развитием техники. Техника служит не только для производства материальных благ она неразрывно связана с культурой общества. Так, техника книгопечатания способствует широкому распространению идей таких мыслителей, бессмертных творений художников слова; техника радио и телевидения приблизила живое слово и художественный образ к миллионам радиослушателей и телезрителей. Но радиоприемник или телевизор — это один из элемент сложных средств труда диктора, с помощью которых его мог увидеть и услышать одновременно миллионы людей и одновременно техническое средство управления производством.

Процесс развития техники характеризуется целым рядом закономерностей. Наука, изучающая эти закономерности, называется историей техники. Важно понять, что история техники — одновременно техническая и общественная наука, так как она исследует развитие техники в тесной взаимосвязи с развитием общества.

Раскрытие и анализ закономерностей развития техники основываются на методе диалектического материализма. Главная движущая сила развития техники — производство обходимых обществу материальных благ.

В процессе непрерывного развития техники изменяются только количество, но и качество технических объектов, происходит замена старых объектов новыми. Важно понять, что развитие техники происходит все более убыстренно, на основе новых знаний, приобретенных от предшествующих поколений (рис. 1.1).

При изучении развития техники очень важно понимать, что на уровень этого развития решающее влияние оказывают как естествознания, так и общественно-экономические законы.

Например, уровень техники определяется степенью познаний законов природы, и поэтому техника безразлична к классам социально-экономическим темам: современный трансформатор или электрический двигатель, созданные на российском или американском заводе; в принципе не отличаются от друга. Что же касается направления, темпов развития тысячи то на них более заметное влияние оказывают общественно-экономические структуры.

Одна из характерных закономерностей развития техники — историческая обусловленность важнейших открытий и изобретений.

Практически все выдающиеся изобретения были вызваны объективной необходимостью, вытекающей из первичной движущей силы развития общества, и, в частности, для техники — из потребности в сериальных благах. К. Маркс писал: «Критическая история технологии вообще показала бы, как мало какое бы то ни было изобретение (VIII столетия принадлежит тому или иному отдельному лицу».

История электротехники, как это будет видно из последующих глав, показывает, что в XIX и в XX вв. крупные вклады в технику клались приблизительно в одно и то же время многими изобретателями в разных странах и независимо друг от друга.

Это объясняется только тем, что совершенно объективно и независимо от воли изобретателей возникает потребность в продукте их творчества: электропередаче, лазере или транзисторе. Следовательно, для понимания субъективной деятельности изобретателя нужно прежде всего оценить объективные условия, поставившие перед ним определенную задачу, так как при этом создаются объективные материальные предпосылки ее решения, а субъективные качества изобретателя дают возможность увидеть и решить эту задачу.

На основе этого можно показать и роль личности в развитии техники. Нередко встречаются утверждения, будто то или иное открытие явилось делом случая, плодом «озарения» гениального ученого.

Что касается второго — то, несомненно, открытия и изобретения делаются, как правило, выдающимися инженерами и учеными. Это результат огромного творческого труда, многочисленных усилий и, конечно, природной одаренности ученого или инженера. А вот что касается «случая», то каждый студент, будущий инженер, должен хорошо понять, что случайно без фундаментальных знаний и упорного труда открытие или изобретение сделать невозможно. Как говорят, «случай идет навстречу тому, кто к нему уже подготовлен». И есть и ученый или инженер годами непрерывно трудится над какой-либо проблемой, то возможно какой-либо случай может вызвать в их сознании новую идею или помочь «увидеть» новое устройство. Хрестоматий: пример: электрический звонок над дверью А. С. Попова и «звонковое реле» — важнейший элемент в схеме его радиоприемника.

В качестве примера разрешения противоречий в развитии техники возьмем современную область криогенераторостроения. Как известно, первые экспериментальные конструкции криогенераторов имеют ряд преимуществ перед обычными, но криоустановка для такого генератора пока ещё очень несовершенна. Поэтому создание экономичного и надежного криогенератора является сейчас сложной комплексной научно-технической проблемой, решением которой работают НИИ, заводы, крупные творческие коллективы. И, несомненно, учитывая ещё и открытие высокотемпературной сверхпроводимости, экономичный и надежный криогенератор будет создан.

Показатели количественных изменений в виде ежегодного процента прироста широко применяются как для оценки темпов развития отдельных областей техники, так и для ее роста по суммарному показателю — приросту объема промышленной продукции. Экстраполяция статистически обоснованных кривых развития может служить основой для прогнозирования развитии техники или отдельных ее отраслей. Таким образом, исследуя качественные и количественные пути развития техники в прошлом и изыскивая для них конкретные показатели, мы получаем возможность прогнозировать будущее. А это особенно важно в условиях современной научно-технической революции.

Потребность общества в материальных благах выявляется форме постоянно возникающего и постоянно разрешаемого противоречия между потребностью в материальных благах и возможностью ее удовлетворения. В свою очередь указанные противоречия вызывают необходимость изменения существующего способа производства. Так, в XIX в. возник кризис господствовавшего механического способа передачи энергии от ее источников к потребителям. Он направил творчество изобретателей на разработку различных методов передачи энергии, среди которых наилучшие результаты дал электрический. Во второй половине XX в. назревает кризис энергетики в связи с ограниченностью ресурсов органического топлива, особенно в ряде районов земного шара, и недостаточностью водных источников при громадном потреблении энергии. Это стимулирует исследования ученых и инженеров в поиске путей безопасного использования ядерной и других видов энергий.

Противоречия, подобные описанным, всегда возникали и возникают в отдельных отраслях техники. Но история техники знает и такие переломные моменты развития, когда указанное противоречие распространялось на технику в целом, на весь связанный с ней способ производства, вызывало общий кризис, приводило к смене методов производства (например, промышленный переворот XVIII в.).

Современная научно-техническая революция, начавшаяся в середине XX в., представляет собой совокупность коренных качественных изменений в средствах, технологии, организации и управлении производством на основе новых научных принципов. Эта революция подготовлена не только развитием науки и производительных сил, но и теми социальными изменениями, которые произошли в обществе в результате мирового революционного процесса,

В отличие от промышленного переворота XVIII в., ознаменовавшего переход от мануфактурного к крупному машинному производству, современная научно-техническая революция — это переход к качественно новой высшей ступени машинного производства — к крупному автоматизированному машинному производству.

В отличие от системы машин XIX в., состоявшей из трех элементов: машины-орудия, машины-двигателя и передаточного механизма, современная автоматическая система машин включает помимо указанных трех звеньев ещё качественно новое — управляющее звено. В последние десятилетия на основе управляющего звена была создана принципиально новая машина — управляющая, которая постепенно превращается в самостоятельный тип системы машин. Переход к четырехзвенной структуре машин, содержащих автоматическое устройство, моделирующее некоторые мыслительно-логические функции человека, является исходным пунктом современной научно-технической революции.

Научно-техническая революция характеризуется перестройкой технической и отраслевой структуры народного хозяйства. В процессе этой перестройки создаются материально-вещественные предпосылки для последующего этапа — крупного автоматизированного машинного производства. Перестройка происходит во всех элементах материального производства — в системе машин, в технологии производства, в структуре всего народного хозяйства.

Неизмеримо возросла роль науки в развитии производства. Наука превращается в непосредственную производительную силу, становится составным специфическим элементом производительных сил общества.

Основа современной научно-технической революции — электрификация и электронизация всех звеньев производственного процесса. Следовательно, важнейшие изменения в развитии производства непосредственно связаны с развитием энергетики, электротехники, электроники. Создание крупного автоматизированного машинного производства, сложных автоматизированных систем управления, внедрение электронных вычислительных машин на производстве, транспорте, в строительстве, в научно-исследовательских, конструкторских, новых организациях невозможно осуществить без огромных затрат электроэнергии, без создания новых электротехнических и электронных устройств.

Самым общим качественным показателем уровня развития техники служит производительность труда. Этот показатель непосредственно связан с другими — производительностью машины, выражающейся в количестве вырабатываемого ею продукта в единицу времени.

Производительность машин, а вместе с ней и производительность техники в целом постоянно растут. Качество машины можно оценить ее производительностью. Но производительность, в свою очередь, является следствием ряда факторов, наиболее существенные из которых — интенсивность, напряженность работы. Интенсивность работы машин достигается увеличением скорости движения, концентрации и интенсификации механических, физических и химических процессов. В качестве примера интенсификации процессов в электротехническом устройстве можно сослаться на значительные повышения напряжения в линиях электропередач — от десятков и сотен до сотен тысяч вольт.

Другим качественным показателем развития техники является коэффициент полезного действия, позволяющий оценить совершенство машин. Можно показать, что КПД машин имеет тенденцию роста (рис. 1.2).

Однако в современных условиях развития научно-технического прогресса качественный прогресс техники ни в коем случае нельзя оценивать только по значениям КПД и другим экономическим показателям.

Все более проникая в тайны природы, человек, как уже отмечалось, научился создавать такие могучие технические объекты, что развиваемые ими мощности оказываются соизмеримыми с геофизическими и космическими (рис. 1.3).

При разработке таких объектов требуется комплексный системный подход с учетом не только технико-экономических, но и социальных, экологических последствий их деятельности. Современный специалист всегда должен помнить, что наше общество должно быть ориентировано прежде всего на человека, на создание условий для его здоровой, творческой жизни, для его всестороннего развития.

В творческой деятельности инженера или ученого большое значение имеет не только умение видеть ростки нового, но и правильно оценивать старое. В процессе развития техники происходят постоянные замены одного вида технических объектов другими, более соответствующими новым потребностям. В период своего возникновения эти объекты ускоряли промышленный прогресс, но с течением времени они стали тормозить его дальнейшее развитие, несмотря на то, что постоянно совершенствовались. Например, паровозы широко применявшиеся еще в первой половине нашего века, были во много раз мощнее, быстроходнее и экономичнее паровозов Стефенеона или Черепановых. Но если первые паровозы являлись новым шагом в развитии транспортном техники, то сейчас они уже давно выглядят анахронизмом.

Следовательно, в отличие от живых существ технические объекты уступают место более современным в период своего наивысшего расцвета. Это тоже одна из закономерностей техники. Понимание этого процесса позволяет легче преодолевать старые традиции в отношении технических объектов, которым иногда отданы многие годы творческой деятельности, помогает легче отказаться от них, если они не имеют перспектив развития в будущем.

И оценивая вклад того или иного деятеля науки и техники, нужно прежде всего иметь в виду, что им сделано нового по сравнению со своими предшественниками.

Важной особенностью развития техники является возврат к старым идеям на основе достижений научно-технического прогресса. Так, первые трехфазные трансформаторы М. О. Доливо-Добровольского имели пространственный магнитопровод, но вследствие сложности технологии их изготовления они не получили применения. Прошло более 75 лет. Технический уровень трансформаторостроения значительно повысился, освоение производства рулонной холоднокатаной стали и использование для обмоток алюминиевой фольги и ленты позволили наладить серийное производство мощных трансформаторов с пространственным магнитопроводом.

Следует иметь в виду еще одну характерную особенность развития техники: новое часто создается в старых конструктивных формах, которые кажутся ученым и изобретателям наиболее совершенными. Например, один из первых электродвигателей XIX в. (двигатель Бурбуза) по своим внешним формам почти в точности повторял паровую машину: возвратно-поступательное движение поршней заменялось аналогичным движением магнитов в соленоидах, переключение осуществлялось изменением полярности, вращательное движение вала достигалось с помощью кривошипно-шатунного механизма. О возможности использования линейного двигателя в то время еще и не помышляли.

При разработке новых устройств всегда приходится сталкиваться и с собственно техническими противоречивыми требованиями к объекту, например, требованиями к надежности и интенсивности работы, быстродействию и прочности.

1.2. История открытия закона сохранения и превращения энергии

Ученые и практики всех времен обращались к исследованиям различных энергетических процессов и предпринимали попытки обобщений в которых содержались элементы формулировки закона сохранения и превращения энергии. Если обратиться к истории открытия закона, то термин «энергия» появился лишь на последнем этапе истории великого закона. Кроме того, необходимо учесть, что основные достижения физики, химии и биологии, позволившие сделать действительное обобщение, становятся известными только с начала XIX в.

Еще мыслители древности (Демокрит, Эпикур) утверждали вечность и неуничтожимость материи и движения. Это было весьма типичным при умозрительном характере науки: ученые, которых можно отнести к числу стихийных материалистов, формулировали на основе логических построений такие принципы и давали обобщения, которые с позиций нынешней науки могут быть оценены как гениальное предвидение. Так в древности зарождались основы не только материалистической, но и диалектической философии.

Повседневная практическая деятельность требовала познаний законов движения, прежде всего единственно известного — механического. И поэтому не случайно, что закон сохранения энергии начинал выкристаллизовываться в рамках механики. В 1633 г. «Трактате о свете» идея сохранения движения была сформулирована Декартом следующим образом: «Когда одно тело сталкивается с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения, сколько само одновременно теряет, а отнять от него лишь столько, на сколько увеличит собственное движение». В таком виде совершенно четко отмечается количественное постоянство движенья, причем никакое другое движение, кроме механического Декарт не рассматривал. Эта идея получила дальнейшее развитие у Лейбница в его законе сохранения живых сил.

После классических работ И. Ньютона и Г. В. Лейбница принцип сохранения движения получил четкую формулировку в трудах М. В. Ломоносова, который решился объединить два принципа сохранения: движения и материи. Именно М. В. Ломоносову принадлежит открытие закона сохранения вещества, повторенное затем совершенно независимо от него А. Л. Лавуазье. В 1744 г. М. В. Ломоносов написал ставшие знаменитыми слова «Все перемены в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте... сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Так в середине XVIII столетия М.В. Ломоносовым был четко сформулирован закон сохранения массы и движения как всеобщий закон природы. Более того, первая часть его выражения ("все перемены в натуре случающиеся...") сформулирована так широко, что если бы эти слова были написаны сто лет спустя, когда стали известны другие «перемены в натуре» — многочисленные взаимные преобразования энергии (электрической, тепловой, химической, механической), то другие формулировки закона сохранения к превращения энергии и сохранения материи были бы излишни. Но, к сожалению, и эпоха была еще не та, и научные труды М. В. Ломоносова почти полтора столетия оставались неизвестными.

Ф. Энгельс в статье «Мера движения — работа» подчеркивал, что главное в законе — не количественное сохранение, а превращение энергии, являющееся качественной частью закона. Чтобы осмыслить качественные превращения энергии из одной ее формы в другую, должны были стожиться необходимые и достаточные научно-технические предпосылки. Важнейшим среди этих предпосылок явилось развитие учения о теплоте и теплотехническая практика. Известно, какую роль в развитии человека на заре его истории сыграл огонь. Сначала огонь научились сохранять и использовать для приготовления (улучшения) пищи и согревания. В процессе трудовой деятельности человек научился добывать огонь трением. Однако это первый факт, который следует отнести к области теплоэнергетики, практически не мог привести к мысли о превращении одного вида энергии (механической) в другой (тепловую). Вместе с тем получение огня трением для обобщений XIX в. было гораздо более важным фактом по сравнению с многовековым производственным опытом механической энергетики (ветроэнергетики и ранней гидроэнергетики), поскольку в первом случае было налицо качественное преобразование формы энергии (о чем еще не подозревали), а во втором — только преобразование вида механического движения (что было очевидным).

Установлению взаимосвязей между механической и тепловой энергией длительное время объективно препятствовала теория теплорода, хотя эта теория представляла собой первоначально значительный прогресс в развитии научной мысли. Считалось, что теплород выдавливается из вещества при его сжатии, например, при сжатии газа, как сок из апельсина. Гениальные мысли М. В. Ломоносова о молекулярном движении как источнике тепла, о кинетической природе тепла в более широком смысле оставались вне поля зрения широкой научной общественности. Наиболее ощутимый удар по теории теплорода уже в эпоху паровых машин (1798 г.) нанесли опыты американца Бенджамина Томпсона, более известного в Европе под титулом графа Румфорда. При сверлении орудийных стволов в Мюнхене Румфорд наблюдал выделение тепла, что, впрочем, было всем известно. Однако Румфорд сумел показать, что при этом может выделиться практически неограниченное количество тепла. В своих опытах он принимал меры к изоляции сверла и ствола с тем, чтобы исключить поступление теплорода, этой «субстанции теплоты», откуда-либо извне.

Но еще примерно 30 лет после опытов Румфорда теория теплорода, подправляемая и «уточняемая», продолжала занимать господствующее положение в объяснениях причины возникновения теплоты. Существенно важной хотя понимания факта превращения одного вида движения (например, механического) в другой (например, тепловое) была мысль об эквиваленте, в частности о механическом эквиваленте тепла.

Драматизм истории открытия закона сохранения и превращения энергии состоял в том, что практически до момента полного признания этого закона почти, каждое предшествующее открытие, подтверждающее его справедливость, либо не публиковалось, либо на него не обращали должного внимания, либо оно просто встречалось в штыки официальной наукой:

Соответствующие труды М. В. Ломоносова до 1904 г. находились в забвении, а будучи в свое время опубликованными в России, не проникли в лаборатории Запада. Румфорд, поколебав устои теории теплорода, не смог ее низвергнуть, не найдя доказательств эквивалентности превращения механического движения в теплоту. Двадцативосьмилетний французский инженер Сади Карно опубликовал в 1824 г. замечательную работу «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», в которой изложил то, что впоследствии стали называть вторым началом термодинамики или «принципом Карно». Но более поздние исследования, в которых Карно отказался от теории теплорода и определил впервые механический эквивалент тепла, своевременно не были опубликованы, и рукописи его стали известны лишь в 1878 г.

В приложении к своей единственной книге Карно писал: «Тепло — это не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тел. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно, всегда при исчезновении теплоты возникает движущая сила.

Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, то есть вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает".

По измерениям Карно механический эквивалент теплоты составил 370 кгм на одну килокалорию (напомним, что эта величина составляет 427 кгм, или 4186 Дж).

Сади Карно был сыном своего века. Его теоретические исследования отвечали на конкретный вопрос, поставленный развивавшейся промышленностью, как сделать тепловой двигатель более экономичным.

Заслуживает внимание и то, что, разрабатывая основы термодинамики, Карно исходил из невозможности осуществления вечного двигателя. Но и на его работы современники не обратили того внимания, которого они заслуживали. Понадобилось почти два десятилетия, чтобы стало возможным утверждение закона.

Исследования химических, тепловых и механических действий электрического тока в первые 40 лет XIX в. послужили второй важной предпосылкой к открытию закона сохранения и превращения энергии.

В 1799 г. был построен первый электрохимический источник, электрической энергии — «вольтов столб» и осуществлен электролиз воды. Было показано, что химическая реакция может быть источником электричества, а электричество в свою очередь, может вызвать химические превращения. Так возникали основы новой науки — электрохимии.

Первые же эксперименты с электрическим током позволили обнаружить нагрев проводника (Л. Тенар, В. В. Петров, X. Дэви и др.), но недостаточная точность измерений не позволила найти точные количественные связи. В 1821 г. было открыто явление термоэлектричества (Т. И. Зеебек), а спустя 13 лет — обратное ему явление Ж. Пельтье.

Выдающуюся роль в развитии электромагнетизма и в формировании современных физических взглядов сыграл М. Фарадей. Еще в опытах Эрстеда (1820 г.) демонстрировалось механическое воздействие электрического тока на магнитную стрелку, но Фарадей в 1821 г. осуществил непрерывное движение проводника с током вокруг магнита (и наоборот), что явилось прообразом электродвигателя. В 1831 г. он открыл явление электромагнитной индукции. Им же было показано, что механическое движение проводника в магнитном поле вызывает появление электродвижущей силы (принцип электромашинного генератора). В 1836 г. Фарадей сформулировал два закона электролиза, которыми установил связи между количеством электричества и химическими свойствами вещества.

Великий английский физик совершенно определенно подчеркивал необходимость установления эквивалентов между различными видами энергии или, по терминологии того времени, между различными силами. Он писал: «Мы имеем много процессов, при которых внешняя форма силы может претерпевать такие изменения, что происходит явное превращение ее в другую. Так, мы можем превратить химическую силу в электрический ток, а электрический ток в химическую силу. Прекрасные опыты Зеебека и Пельтье показывают взаимную связь теплоты и электричества, а Эрстеда и мои собственные показывают превращаемость электричества и магнетизма. Но ни в одном случае, даже с электрическим угрем и скатом, нет производства силы без соответствующего израсходования чего-либо, что питает ее». В своем дневнике в 1837 г. Фарадей записал: «Нужно сравнить количество материальных сил (т.е. сил электричества, тяготения, химического сродства, сцепления и т.д.), где возможно дать выражение для их эквивалентов в той или иной форме».

Следует упомянуть и третью важную предпосылку к открытию закона сохранения и превращения энергии — успехи биологии. Среди энциклопедических исследований М. В. Ломоносова можно найти догадку о том, что растения питаются одной из составных частей воздуха. Через 30 лет, в 1783 г., этот факт научно обосновал швейцарский ботаник Сенебье. Постепенно формировались представления о переработке в растениях неорганических элементов в органические. Развеивался миф об особой «жизненной силе» в организмах человека и животных. Была установлена прямая связь между количеством потребляемой пиши и способностью производить работу.

Наступило время широких обобщений — 40-е годы прошлого столетия. Самое главное, что предстояло сделать, — это осмыслить тот факт, что, кроме вещества, которое, изменяясь качественно, сохраняет свое количество, в природе существует еще нечто иное, связанное с движением материальных частиц и тел, что тоже подчиняется своему закону сохранения и меняет свою форму.

Решающую роль в установлении закона сохранения и превращения энергии история отводит Роберту Манеру, Джеймсу Джоулю и Герману Гельмгольцу.

Роберт Майер был судовым врачом на голландском корабле, когда в 1840 г. «внезапно» ему пришла в голову мысль о законе сохранения и превращения энергии. Слово «внезапно» взято в кавычки недаром: о внезапном озарении писал впоследствии Май-ер, но может ли быть внезапным открытие, предпосылки которого были хорошо известны выпускнику Тюбингенского университета? Внезапным был для Майера исходный толчок: он обратил внимание на то, что было хорошо известно врачам, работающим постоянно в тропических широтах. Во время стоянки корабля на Яве заболел матрос, и Майер, как тогда было принято, «пустил ему кровь», вскрыв вену. Каково же было его удивление, когда он увидел, что венозная кровь была не стать темной, как в умеренных широтах. Майер понял, что при высокой средней температуре воздуха для поддержания жизнедеятельности и необходимой температуры организма требуется меньше питательных веществ и меньшее «сгорание» последних. Сопоставление многочисленных научных фактов из области химии, физики и биологии привело его к тому, что мысли, согласно выражению Майера, пронзившие его, подоено молнии, навели на вывод о существовании всеобщего закона природы.

В 1841 г, вернувшись на родину, в Гейльбронн, Майер написал статью «О количественном и качественном определении сил» и направил ее редактору известного тогда журнала «Аnnа еn dег Рhуsik». Редактор не счел нужным ее напечатать и даже не ответил автору. Рукопись статьи была обнаружена в архивах редакции и опубликована лишь в 1881 г., т.е. 40 лет спустя. Следующая статья «Замечания о силах неживой природы» была опубликована в 1842 г. В этой работе Майер много внимания уделяет взаимопревращениям механической работы и теплоты, не зная о соответствующем исследовании Карно, определяет механический эквивалент теплоты (по его данным он равен 365 кгм/ккал), говорит о «неразрушимости» сил и формулирует свой принцип. Здесь же Майер впервые в истории науки вкладывает в понятие «сила» смысл «энергия», не произнося еще этого слова (впрочем, слово было произнесено раньше; этим словом английский физик Томас Юнг обозначил величину, пропорциональную массе и квадрату скорости движущегося тела).

Идеи Майера носили столь общий и универсальный характер, что они сначала не были восприняты современниками. Его жизнь превратилась в непрерывную борьбу за утверждение своего принципа. Противники выискивали в работах Майера малейшие неточности и неудачные формулировки, подвергали сомнению все его научные результаты в целом.

Классические измерения механического эквивалента теплоты провел в 1841-1843 гг. (опубликовано в 1843 г.) английский физик, в прошлом манчестерский пивовар, Джеймс Джоуль. По его 24 энным, этот эквивалент составлял 460 кгм/ккал. Джоуль также становил независимо от Ленца связь между электрическим током выделяемым теплом (закон Джоуля—Ленца). Интересно отметить, что и работу Джоуля Британское королевское общество отказалось опубликовать в полном объеме, требуя от него все новых экспериментальных уточнений.

Наконец, немецкий ученый Герман Гельмгольц в 1847 г. в работе «О сохранении силы» дал в наиболее общем виде закон сохранения, показав, что сумма потенциальной и кинетической энергий остается постоянной. Большое значение имело приведенное в этой же работе доказательство того, что процессы в живых организмах тоже подчиняются закону сохранения энергии. Здесь же впервые дана математическая трактовка закона.

Завершением длительного пути, пройденного наукой до точной формулировки закона сохранения энергии, можно считать оклад Уильяма Томсона (впоследствии лорда Кельвина) «О динамической теории тепла» (1851 г.). Томсон в 1860 г. ввел в науку термин «энергия» в современном его смысле. К такому же толкованию термина «энергия» пришел в 1853 г. известный ютландский физик У. Д. Ренкин — один из создателей технической термодинамики.

Изложение истории открытия закона уместно закончить словами выдающегося английского физика и общественного деятеля Джона Бернала, написанными 100 лет спустя: «Закон сохранения энергии... был величайшим физическим открытием середины (IX в. Он объединил много наук и находился в исключительной гармонии с тенденциями времени. Энергия стала универсальной валютой физики — так сказать, золотым стандартом изменений, происходивших во вселенной. То, что было установлено, предоставляло собой твердый валютный курс для обмена между валютами различных видов энергии: между калориями теплоты, килограммометрами работы и киловатт-часами электричества, вся человеческая деятельность в целом — промышленность, транспорт, освещение и, в конечном счете, питание и сама жизнь — рассматривалась с точки зрения зависимости от этого одного общего термина — энергия»

Этим законом было дано научное подтверждение материалистической идеи о неуничтожим ости движения. Только опираясь на диалектический материализм, можно было раскрыть всю глубину содержания закона сохранения энергии. Эта задача была выполнена Энгельсом, который впервые дал всесторонний научный анализ закона сохранения и превращения энергии, показав, что главное положительное в этом законе — качественное превращение форм движения материи. Само название («закон сохранения превращения энергии») было введено в научное обращение Энгельсом.

1.3. Возрастание роли человеческого фактора — диалектическая закономерность современного этапа развития общественного производства

Нужно признать, что до последнего времени мы не уделял достаточно серьезного внимания духовным, нравственным проблемам воспитания студента. Несколько лет назад академик Г. Николаев опубликовал в «Известиях» необычную для того времени статью о совестливом инженере, в которой подчеркивал, что мы нередко судим о студенте по его зачетной книжке или диплом ному проекту, но не обращаем достаточного внимания на его человеческие, нравственные качества, а именно они определяют инженера как личность.

В условиях современной научно-технической революции необычайно возросла социальная ответственность инженера и ученого а последствия своей деятельности. Ведь, как уже отмечалось, мощности, создаваемые человеком, становятся соизмеримыми с тем мощностями, которые развиваются геофизическими и космическим силами. Поэтому при проектировании и эксплуатации инженерных объектов необходим комплексный системный подход, учет не тальк экономических показателей, но и социальных, экологических критериев. Для осуществления такого комплексного подхода нужны глубокие разносторонние знания. В наши дни создаются настолько сложные и совершенные машины, приборы и устройства, что по образному выражению академика В. Легасова, если раньше мы защищал человека от техники, совершенствуя технику безопасности, то теперь нужно и технику защищать от человека, от его некомпетентности профессиональной и психологической неподготовленности при управлении колоссальными мощностями и быстродействующими автоматическими устройствами.

Как известно, такие трагедии последних лет, как Чернобыль, гибель «Адмирала Нахимова» и другие связаны не только с профессиональной некомпетентностью (это тоже серьезный упрек нашей высшей школе), но и с безответственностью, недобросовестным отношением к делу. А это уже характеристика морального, нравственного уровня специалиста.

Современная научно-техническая революция, которая многое годы обычно рассматривалась сквозь призму научно-технических технико-экономических проблем, сегодня приобретает все более социальную, духовную направленность, т.е. непосредственно затрагивает самого человека.

На протяжении. нескольких десятилетий научно-техническая революция вызвала беспрецедентную ситуацию, когда первые в истории человечества темпы смены новых поколений работников. Если считать период активной творческой деятельности человека в среднем приблизительно 40 годам, то за это время технологическое обновление производства произошло во много раз быстрее, чем в прошлом веке, не говоря уже о более поздних периодах. Только в электронике, которая начинает занимать все более господствующее положение в производстве, сменилось уже четыре поколения компьютеров и успешно внедряется пятое. А все более расширяющееся развитие микроэлектроники, микропроцессорной техники вызовет еще больший разрыв в смене поколений техники и людей.

Поэтому исключительно важное значение для специалиста приобретают не только профессиональные знания, но и способного к постоянному их обновлению, воспитание восприимчивости к социально-экономическим и научно-техническим нововведениям. при этом решающая роль будет принадлежать умению овладения процессом самообразования, которое нужно прививать еще со вольной скамьи.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, наиболее эффективной системой обновления вещественного знания является гибкая, непрерывная на протяжении всей жизни, система самообразования и повышения квалификации. Полноценный современный специалист должен обладать способностью параллельно заниматься самообразованием как в области общетеоретических, так и специальных знаний, только тогда сможет изыскивать эффективные пути взаимодействия с техникой будущего.

С каждым годом все более остро будет возрастать способность человека в овладении «второй» грамотностью «электронной», умением ее творчески использовать в производственном процессе. Такие специалисты, обладающие функциональной грамотностью и широким научным мировоззрением, могли бы составить ядро инженерного корпуса будущего.

При этом человек всегда должен помнить, что он — «часть биосферы», и свое бытие он должен приспосабливать к ее законам. По образному выражению академика В. И. Вернадского которое он сформулировал еще в начале нашего века, необходимо не покорение природы, а совместное гармоническое развитие природы и общества, иначе человечеству просто не выжить.

1.4. Электротехника. Основные этапы ее развитая

Решающая роль в современном научно-техническом прогрессе принадлежит электрификации. Как известно, под электрификацией понимается широкое внедрение электрической энергии в инородное хозяйство и быт, и сегодня нет такой области техники, в том или ином виде не использовалась бы электрическая энергия а в будущем ее применение будет еще более расширяться. Под электротехникой в широком смысле слова подразумевается часть науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для практических целей.

Это общее определение электротехники можно раскрыть более подробно, выделив те основные области, в которых используются электрические и магнитные явления: преобразование энергии природы (энергетическая); превращение вещества природы (технологическая); получение и передача сигналов или информации (информационная). Поэтому более полно электротехнику можно определить, как область науки и техники, использующую электрические и магнитные явления для осуществления процессов преобразования энергии и превращения вещества, а также для передачи сигналов и информации.

В последние десятилетия из электротехники выделилась промышленная электроника с тремя ее направлениями: информационное, энергетическое и технологическое, которые с каждым годом приобретают все большее значение в ускорении научно-технического прогресса.

В развитии электротехники условно можно выделить следующие шесть этапов:

1. Становление электростатики (до 1800 г.). К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследования атмосферного электричества, разработка первых теорий электричества, установление закона Кулона, зарождение электромедицины.

2. Закладка фундамента электротехники, ее научных основ (1800—1830 гг.). Начало этого периода ознаменовано созданием «вольтова столба» — первого электрохимического генератора, а вслед за ним «огромной наипаче батареи» В. В. Петрова, с помощью которой им была пат учена электрическая дуга и сделано много новых открытий. Важнейшими достижениями этого периода является открытие основных свойств электрического тока, законов Ампера, Био и Савара, Ома, создание прообраза электродвигателя, первого индикатора электрического тока (мультипликатора), установление связей между электрическими и магнитными явлениями.

3. Зарождение электротехники (1830—1870 гг.). Самым знаменательным событием этого периода явилось открытие М. Фа-радеем явления электромагнитной индукции, создание первого электромашинного генератора. Разрабатываются разнообразные конструкции электрических машин и приборов, формулируются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники электрического освещения, первые электроавтоматические приборы, зарождается электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение электрической энергии было невозможно из-за отсутствия экономичного электрического генератора.

4. Становление электротехники как самостоятельной отрасти техник:: (1870—1890 гг.). Создание первого промышленного электромашинного генератора с самовозбуждением (динамомашины) открывает новый этап в развитии электротехники, которая становится самостоятельной отраслью техники. В связи с развитием промышленности, ростом городов возникает острая потребность в электрическом освещении, начинается строительство «домовых» электрических станций, вырабатывающих постоянный ток. Электрическая энергия становится товаром, и все шлее остро ощущается необходимость централизованного производства и экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния. Решить эту проблему на базе постоянного тока было нельзя из-за невозможности трансформации постоянного тока. Значительным стимулом к, внедрению переменного тока явлюсь изобретение «электрической свечи» П. Н. Яблочковым и разработка им схемы дробления электрической энергии посредством индукционных катушек, представлявших собой трансформаторе разомкнутой магнитной системой.

Однако однофазные двигатели были непригодны для целей промышленного электропривода.

Одновременно разрабатываются способы передачи электрической энергии на большие расстояния посредством значительного повышения напряжения линий электропередач. Дальнейшее развитие электрического освещения способствовало совершенствованию электрических машин и трансформаторов; в середине 80-х гг. началось серийное производство однофазных трансформаторов с замкнутой магнитной системой (М. Дери, О. Блати, К. Ципернов-ский). Идея П. Н. Яблочкова о централизованном производстве и распределении электроэнергии претворяется в жизнь, начинается строительство центральных электростанций переменного тока.

Однако развивающееся производство требовало комплексного решения сложнейшей научно-технической проблемы: экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создания экономичного и надежного электрического двигателя, удовлетворяющего требованиям промышленного электропривода. Эта проблема была успешно решена на основе многофазных, в частности трехфазных систем.

5. Становление и развитие электрификации (с 1891 г.). Важнейшей предпосылкой разработки трехфазных систем явилось открытие (1888 г.) явления вращающегося магнитного поля. Первые многофазные двигатели были двухфазными. Трехфазная система оказалась наиболее рациональной, так как имела ряд преимуществ как перед однофазными цепями, так и перед другими многофазными системами.

В разработку трехфазных систем большой вклад сделали ученые и инженеры разных стран. Но как будет показано далее, наибольшая заслуга принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер, создавшему трехфазные синхронные генераторы и асинхронные двигатели, трансформаторы. Убедительной иллюстрацией преимуществ трехфазных цепей была знаменитая Лауфен-Франк-фуртская электропередача (1891 г.), сооруженная при активном участии Доливо-Добровольского.

С этого времени начинается бурное развитие электрификации: строятся мощные электростанции, возрастает напряжение электропередач, разрабатываются новые конструкции электрических машин, аппаратов и приборов. Электрический двигатель занимает господствующее положение в системе промышленного привода.

Процесс электрификации постепенно охватывает все новые области производства: развивается электрометаллургия, электротермия, электрохимия.

Электрическая энергия начинает все более широко использоваться в самых разнообразных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту.

Широкое применение переменного тока потребовало теоретического осмысления и математического описания физических процессов, происходящих в электрических машинах, линиях электропередач, трансформаторах.

Расширяются исследования явлений в цепях переменного тока с помощью векторных и круговых диаграмм. Огромную прогрессивную роль в анализе процессов в цепях сыграл комплексный метод, предложенный в 1893—1897 гг. Ч. П. Штейнмецом. С развитием крупных энергосистем и увеличением дальности электропередач возникла серьезная научно-техническая проблема обеспечения устойчивости параллельной работы генераторов электростанций, которая была решена отечественными и зарубежными учеными. Теоретические основы электротехники становятся базой учебных дисциплин в вузах и фундаментом научных исследований в области электротехники.

6. Зарождение и развитие электроники (первая четверть XX в.) Рост потребности в постоянном токе (электрохимия, электротранспорт и др.) вызвал необходимость в развитии преобразовательной техники, что привело к зарождению, а затем бурному развитию промышленной электроники.

Электротехника становится базой для разработки автоматизированных систем управления энергетическими и производственными процессами. Создание разнообразных электронных, в особенности микроэлектронных устройств позволяет коренным образом повысить эффективность автоматизации процессов вычислений, обработки информации, осуществлять моделирование сложных физических явлений, решение логических задач и др. при значительном снижении габаритов, устройств, повышении их надежности и экономичности.

Значительный прогресс в электронике наметился после создания больших интегральных схем (БИС), быстродействие их измеряется миллиардными долями секунды, а минимальные размеры составляют 2—3 мкм.

Внедрение БИС привело к созданию микропроцессоров, осуществляющих цифровую обработку информации по программе, и микро ЭВМ.

Быстрое развитие микроэлектроники обусловило возникновение и заметный прогресс новой области науки и техники — информатики.

Уже в начале 80-х гг. как в нашей стране, так и за рубежом стали изготовлять микропроцессоры и микроЭВМ в одном кристалле. Все это дает огромный эффект в повышении надежности, снижении габаритов и потребляемой энергии микроэлектронных устройств, используемых в различных производственных процессах, автоматизированных систем управления, на транспорте, в бытовых устройствах.

ГЛАВА 2 У ИСТОКОВ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ. МИФЫ И ФАКТЫ

2.1. «Чудеса» магнитного железняка, янтаря и электрических рыб

Первые наблюдения электрических и магнитных явлений относятся к глубокой древности. О таинственных способностях магнита притягивать железные предметы упоминается в старинных летописях и легендах, дошедших до нас из Азии, Индии, Китая, Центральной Америки, древней Греции и Рима. Кусочки природного железняка (магнита) в разных странах имели различные названия, но большая часть из них переводится, как «любящий» (т.е. «любящий* железо).

Происхождение слова «магнит» древние ученые также объясняют по-разному. Например, известный римский писатель и ученый Плиний (23—79 гг.) в своей 37-томной «Естественной истории» ссылается на легенду о пастухе Магнесе, пасшем стада у подножия горы на острове Крите, близ которой были разбросаны загадочные черные камни, притягивавшие железные гвозди его сандалий и железный наконечник посоха. В честь Магнеса эти камни будто бы назвали магнатами, а само явление притяжения — магнетизмом,

По утверждению древнегреческого философа Платона (427—347 гг. до н.э.) слово «магнит» происходит от названия древнегреческой провинции Магнезии, жителей которой называли «магнетами», а камни из Магнезии — магнитами.

Из древних сказаний и летописей, относящихся ко второму тысячелетию до н.э., мы узнаем о многих интересных фактах практического использования магнита. Древние индийцы использовали магнит для извлечения железных наконечников стрел из тел раненых воинов. В китайских летописях рассказывается о волшебных магнитных воротах, сквозь которые не мог пройти человек, спрятавший металлическое оружие. При раскопках городища ольмеинков (Центральная Америка) найдены скульптуры трехтысячелетней Давности, высеченные из магнитных глыб.

В Китае во втором тысячелетии до н.э. уже применялись первые компасы, разных конструкций. В одном из музеев хранится китайский компас тысячелетней давности, напоминающий ложку.

И каким замечательным подтверждением известной закономерности развития цивилизации, является тот факт, что уже упоминавшиеся древние ольмеки, отделенные от китайцев тысячами океанских миль, высекали фигуры морских черепах из глыб магнитной породы; намагниченная попова таких черепах как бы символизировала удивительную способность этих земноводных ориентироваться в море вдали от берегов*.

Европейцы заимствовали компас у китайцев через арабов. Небезынтересно заметить, что в ХП1-Х1У вв. капитаны-католики пользовались компасом тайно, опасаясь попасть на костер инквизиции, представители которой видели в компасе дьявольский инструмент, созданный колдунами.

Довольно широкое распространение получили легенды о мистических способностях магнитной стрелки передавать сообщения на расстоянии. Об этом выразительно рассказывает Г. Галилей (1564—1642 гг.). Один «изобретатель» предложил -ему продать «симпатическую» магнитную стрелку, посредством которой можно поддерживать связь с человеком, находящимся за 2—3 тысячи миль. «Тогда я сказал, — писал Галилей, — что согласен приобрести секрет, но хочу сначала испытать его на деле. Причем, для меня совершенно достаточно, если испытание будет произведено так, что я буду находиться в одной из комнат моего дома, а он в другой, изобретатель сказал, что на таком малом расстоянии я не смогу видеть действие его изобретения. На этом я с ним и расстался, заявив, что не чувствую никакого желания ехать в Каир или Московию для того, чтобы производить опыт, но, что если он сам пожелает туда отправиться, я согласен быть другой стороной, оставшись в Венеции».

Естественно, что древние ученые и естествоиспытатели задумывались над причиной загадочных свойств магнита. Платон, например, объяснял их божественным происхождением.

Один из древних мудрецов Фалес (640—550 гг. до н.э.) считал причиной движения «душу», и поэтому, по мнению Аристотеля, наличие у магнита «души» вызывало притяжение к нему железа.

Очень образное объяснение свойств магнита дано в знаменитой поэме «О природе вещей» римского поэта Лукреция (99—55 гг. до н.э.), написанной более двух тысяч лет назад.

«Мне остается сказать, по какому закону природы То происходит, что камень притягивать может железо, ... Люди весьма удивляются камню такому... Прежде всего из магнита должны семена выделяться Множеством или же ток истекать, разбивая толчками Воздух, который везде между камнем лежит и железом, Только что станет пустым пространство меж ними, и много Места очиститься там, как тот час же, общею кучей Первоначала туда стремглав понесутся железа;»

Несмотря на очевидную примитивность представлений Лукреция, следует отметить материалистическое, можно сказать, атомистическое толкование о строении вещества, о материальных «истечениях», заполняющих пространство вокруг магнита, которое в какой-то мере приближается к современным понятиям магнитных линий и магнитного поля.

С именем Фалеса связаны и дошедшие до нас предания о свойстве натертого янтаря притягивать легкие тела. По его мнению, в янтаре (как и в магните) имеется душа, являющаяся первопричиной притяжения.

Изделия из янтаря, блестящие и красивые, широко использовались древними людьми для украшения, поэтому вполне вероятность, что многие могли заметить, что натертый янтарь притягивает легкие соломинки, кусочки тканей и пр.

Греки называли янтарь «электрон» — от этого! (спустя много веков) и произошло слово «электричество». Известно, что в одном из древнегреческих сочинений описывался камень (по-видимому, драгоценный), который, подобно янтарю, электризовался при трении. Но об электризации других тел древние греки, вероятно, не знали.

И еще одно любопытное явление не осталось незамеченным древними народами, жившими на побережье Средиземного моря и в бассейне Нила. Речь идет об «электрических» рыбах — скате и соме. Греки их называли «наркэ», что означает «парализующий». При соприкосновении с этими рыбами, имеющими электрические органы, человек испытывал сильные удары. Известно, что в первом веке н.э. римские врачи использовали электрический ската для лечения подагры, головной боли и других болезней.

И, конечно, древние народы наблюдали грозные раскаты грома и яркие вспышки молний, внушавшие им естественный страх, но ни одному из мудрецов тех времен не могла прийти мысль о том, что и притяжения натертого янтаря, и удары электрических рыб, и явление грозы в атмосфере имеют одну и ту же природу.

Упадок античной культуры заметно отразился и на изучении электрических и магнитных явлений. Из многочисленных источников следует, что практически до 1600 г. не было сделано ни одного открытия в области электрических явлений, а в области магнетизма описаны способы использования мореплавателями компаса (арабами в IX в.. а европейцами — в XI в.). В XIII в. мы находим подтверждения некоторым новым открытиям, сделанным независимо друг от друга англичанином Р. Бэконом, французом П. Перегрином и итальянцем Д. Б. Порта. Им удалось установить ряд свойств магнита: существование разноименных полюсов и их взаимодействие; распространение магнитного действия через различные тела (бумагу, дерево и др.), невозможность получения магнита с одним полюсом. П. Перегрин и Д. Б. Порта описали способы изготовления магнитных стрелок, а П. Перегрин (около 1270 г.) впервые снабдил компас градуированной шкалой.

В течение многих веков магнитные явления объясняли действием особой магнитной жидкости, и как это будет показано далее — лишь выдающийся французский физик А. М. Ампер в 20-х годах XIX в. впервые объяснил электрическую природу магнетизма.

2.2. Мудрость — дочь опыта. Начало экспериментальных исследований электричества и магнетизма

В XVI—XVII вв. с развитием торговли в Европе все большее распространение получает экспериментальный метод научных исследований, одним из основоположников которого по праву называют Леонардо да Винчи (1452—1519 гг.). Это в его записной книжке можно найти знаменательные слова: «Не слушай учения тех мыслителей, доводы которых не подтверждены опытом». Уже упоминавшийся ранее неаполитанец Джован Баттиста Порта (1538—1615 гг.) в своем труде «Натуральная магия» подчеркивает, что все вычитанные им факты из сочинений древних ученых и путешественников он старался проверить собственным опытом «денно и нощно, с большими издержками».

Экспериментальный метод исследований нанес заметный удар по мистицизму и разного рода вымыслам и предрассудкам.

Значительный перелом в представлениях об электрических и магнитных явлениях наступил в самом начале XVII в., когда вышел в свет фундаментальный научный труд видного английского ученого Вильяма Гильберта (1554—1603 гг.)

О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 г.). Будучи последователем экспериментального метода в естествознании. В. Гильберт провел более 600 искусных опытов, открывших ему тайны «скрытых причин различных явлений».

В отличие от многих своих предшественников Гильберт считал, что причиной действия на магнитную стрелку является магнетизм Земли, которая является большим магнитом. Свои выводы он основывал на оригинальном эксперименте, впервые им осуществленным. Он изготовил из магнитного железняка небольшой шар — «маленькую Землю — тереллу» и доказал, что магнитная стрелка принимает у поверхности этой «тереллу» такие же положения, какие она принимает в поле земного магнетизма. Он установил возможность намагничивания железа посредством земного магнетизма.

Исследуя магнетизм, Гильберт занялся также и изучением электрических явлений. Он доказал, что электрическими свойствами обладает не только янтарь, но и многие другие тела — алмаз, сера, смола, горный хрусталь, электризующиеся при их натирании. Эти тела он называл «электрическими», в соответствии с греческим названием янтаря (электрон). Но Гильберт безуспешно пытался наэлектризовать металлы, не изолируя их. Поэтому он пришел к ошибочному выводу о невозможности электризации металлов трением. Это заключение Гильберта было убедительно опровергнуто спустя два столетия выдающимся русским электротехником академиком В. В. Петровым.

В. Гильберт правильно установил, что «степень электрической силы» бывает различна, что влага снижает интенсивность электризации тел посредством натирания.

Сравнивая магнитные и электрические явления, Гильберт утверждал, что они имеют разную природу: например, «электрическая сила» происходит только от трения, тогда как магнитная — постоянно воздействует на железо, магнит поднимает тела значительной тяжести, электричество — только легкие тела. Этот ошибочный вывод Гильберта продержался в науке более 200 лет.

Пытаясь объяснить механизм воздействия магнита на железо, а также способность наэлектризованных тел притягивать другие легкие тела, Гильберт считал магнетизм как особую «силу одушевленного существа», а электрические явления, «истечениями» тончайшей жидкости, которая вследствие трения «выливается из тела» и непосредственно действует на другое притягиваемое тело.

Представления Гильберта об электрическом «притяжении» было более правильным, чем у многих современных ему исследователей. Оо их утверждениям при трении из тела выделяется «тончайшая жидкость» которая отталкивает воздух, прилегающий к предмету: более отдаленные слои воздуха, окружающие тело, оказывают сопротивление «истечениям» и возвращают их вместе с легкими телами обратно к наэлектризованному телу.

Представления о том, что электрические явления обусловлены присутствием особой «электрической жидкости», аналогичной «теплотвору» и «светотвору», были характерны для науки того периода, когда механистические взгляды на многие явления природы были господствующими.

Фундаментальный труд Гильберта выдержал в течение XVII в. несколько изданий, он был настольной книгой многих естествоиспытателей в разных странах Европы и сыграл огромную роль в развитии учения об электричестве и магнетизме.

2.3. Электростатическая машина открывает новые свойства электричества

Одним из первых, кто, познакомившись с книгой Гильберта, решил получить более сильные проявления электрических сил, был известный изобретатель воздушного насоса магдебургский бургомистр Отто фон Герике (1602—1686 гг.). В 1650 г. он изготовил шар из серы «величиной с детскую голову», насадил его на железную ось, укрепленную на деревянном штативе (рис. 2.2). При помощи ручки шар мог вращаться и натирался ладонями рук или куском сукна, прижимаемого к шару рукою. Это была первая простейшая электростатическая машина. Герике удалось заметить слабое свечение электризуемого шара в темноте и, что особенно важно, впервые обнаружить, что пушинки, притягиваемые шаром, через некоторое время отталкиваются от него — это явление ни Герике, ни многие его современники долго не могли объяснить.

Из письма известного немецкого ученого Г. В. Лейбница (1646—1716 гг.) Герике (март 1672 г.) известно, что Лейбниц, пользуясь его машиной, наблюдал электрическую искру — это первое упоминание об этом загадочном явлении.

В течение первой половине XVIII в. электростатическая машина претерпела ряд усовершенствований: шар из серы был заменен стеклянным (так как стекло более интенсивно электризовалось), а позднее вместо шаров или цилиндров (которые труднее было изготовить и при нагревании они нередко взрывались), стали применять стеклянные диски. Для натирания использовались кожаные подушечки, прижимаемые к стеклу пружинками. Позднее для усиления электризации подушечки стали покрывать амальгамой.

Важным новым элементом конструкции машины стал кондуктор (1744 г.) — металлическая трубка, подвешенная на шелковых нитях, а позднее устанавливаемая на изолирующих опорах. Кондуктор служил резервуаром для сбора электрических зарядов, образованных при трении. После изобретения лейденской банки (см. стр. 41) они также устанавливались рядом с машиной.

В 60-х гг. XVIII в. электростатическая машина приобрела основные современные черты. Весьма оригинальные, простые и надежные электростатические машины были описаны в сочинении известного русского ученого энциклопедиста Андрея Тимофеевича Болотова (1738—1833 гг.) «Краткие и на опытности основанные замечания о електрицизме и о способности электрических махин к помоганию от разных болезней» (СПБ, 1803). Им были созданы даже комнатные «складные» и «дорожные» машины с диаметром стеклянного шара 20 см.

Стремясь получить наибольший эффект, некоторые изобретатели сооружали машины огромных размеров: так, например, в Лондоне хранится электростатическая машина с диаметром диска 2 м 27 см, причем вращение его осуществлялось паровой машиной (1849 г.).

Разнообразные эксперименты с электростатическими машинами и успехи в области естествознания вызывали значительный интерес к электрическим к магнитным явлениям и привели к открытию ранее неизвестных фактов. Были обнаружены два рода электричества и выявлены законы их взаимодействия, установлена «быстрота передачи электричества». Создаются новые электрические приборы, позволившие получать и накапливать электричество в больших количествах, а также измерять его интенсивность. Начинается изучение явлений атмосферного электричества, разрабатываются первые теории электрических явлений.

Значительным шагом в изучении свойств электрических зарядов были исследования члена английского Королевского общества Стефана Грея (1670—1736 гг.) и члена Парижской Академии наук Шарля Франсуа Дюфе (1698—1739 гг.).

В результате многочисленных экспериментов С. Грею удалось установить, что «электрическая способность стеклянной трубки притягивать легкие тела может быть передана другим телам», и показать (1729 г.), что тела в зависимости от их отношения к электричеству можно разделить на две группы: проводники (например, металлическая нить, проволока) и непроводники (например, шелковая нить).

Продолжая опыты С. Грея, Ш. Ф. Дюфе (в 1733—1737 гг.) обнаружил два рода электричества — «стеклянное», «смоляное» и их особенность отталкивать одноименные заряды и притягивать противоположные. Дюфе также создал прототип электроскопа в виде двух подвешенных нитей, расходящихся при их электризации.

2.4. Изобретение лейденской банки — новая страница в летописи электричества

После того, как было установлено разделение тел на проводники и непроводники, а опыты с электростатическими машинами получили широчайшее распространение, совершенно естественной была попытка «накопить» электрические заряды в каком-то стеклянном сосуде, который мог их сохранить. Среди многих физиков, занявшихся подобными экспериментами, наибольшую известность получил голландский профессор из г. Лейдена Мусхенбрук (Мушенбрек) (1692—1761 гг.).

Зная, что стекло не проводит электричества, он (в 1745 г.) взял стеклянную банку (колбу), наполненную водой, опустил в нее медную проволоку, висевшую на кондукторе электрической машины, и, взяв банку в правую руку, попросил своего помощника вращать шар машины. При этом он правильно предположил, что заряды, поступавшие с кондуктора, будут накапливаться в стеклянной банке .

После того, как по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, он решил левой рукой отсоединить медную проволоку. При этом он ощутил сильный удар, ему показалось, что «пришел конец». В письме Реомюру в Париж (в 1746 г.) он писал, что этот «новый и страшный опыт советую самим никак не повторять» и что «ради короны Франции» он не согласится подвергнуться «столь ужасному сотрясению».

Так была изобретена лейденская банка (по имени г. Лейдена), а вскоре и первый простейший конденсатор, одно из распространеннейших электротехнических устройств.

Опыт Мусхенбрука произвел подлинную сенсацию не только среди физиков, но и многих любителей, интересовавшихся электрическими опытами. Независимо от Мусхенбрука в том же 1745 г. к созданию лейденской банки пришел и немецкий ученый Э.Г. Клейст. Опыты с лейденской банкой стали производить физики разных стран, а в 1746—1747 гг. первые теории лейденской банки разработали знаменитый американский ученый Б. Франклин и хранитель физического кабинета англичанин В. Уатсон. Небезынтересна отметить, что Уатсон стремился определить скорость распространения электричества, «заставив» его «пробежать» 12 ООО футов.

Одним из важнейших последствий изобретения лейденско банки явилось установление влияния электрических разрядов на организм человека, что привело к зарождению электромедицины — это было первое сравнительно широкое практическое применена электричества, сыгравшее большую роль в углублении изучении электрических явлений.

Опыт Мусхенбрука был повторен в присутствии французской короля аббатом Нолле. Он образовал цепь из 180 гвардейцев взявшихся за руки, причем первый держал банку в руке, а последний прикасался к проволоке, извлекая искру. «Удар почувствовался всеми в один момент; было курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик» десятков людей. От этой цепи солдат и произошел термин «электрическая цепь».

Постепенно конструкция лейденской банки совершенствовалась: воду заменили дробью, а затем наружная поверхность покрывалась тонкими свинцовыми пластинами; позднее внутреннюю и наружную поверхности стали покрывать оловянной фольгой, и банка приобрела современный вид.

При проведении исследований с банкой было установлено (в 1746 г. англичанином Б. Вильсоном), что количество электричества, собираемое в банке, пропорционально размеру обкладок и обратно пропорционально толщине изоляционного слоя. В 70-х гг. XVIII в. металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком — так, появился простейший конденсатор.

2.5. Величественные и таинственные явления атмосферного электричества получают научное обоснование. Первый «электрический указатель»

Важным и вполне закономерным шагом на пути изучения электрических явлений был переход от качественных наблюдений к установлению количественных связей и закономерностей, к разработке основ теории электричества. Наиболее значительный вклад в решение этих проблем был сделан петербургскими академиками М. В. Ломоносовым и Г. В. Рихманом и американским ученым Б. Франклином.

Выдающийся ученый-энциклопедист XVIII в. Михаил Васильевич Ломоносов <1711—1765 гг.) явился в России основоположником изучения электрических явлений, автором первой теории электричества. При поддержке Ломоносова академик Георг Вильгельм Рихман <1711—1753 гг.) разработал в 1745 г. оригинальную конструкцию первого алектроизмерительного прибора непосредственной оценки «электрического указателя» (рис. 2.4), который принципиально отличался от уже известного электроскопа тем, что был снабжен деревянным квадрантом со шкалой, разделенной на градусы.

Именно это усовершенствование (по словал Рихмана) позволило измерять «большую и меньшую степень электричества»

Из постановления Академической канцелярии (март 1745 г.) следует, что Рихманом проводились весьма интересные электрические эксперименты, «которые при дворе и современном петербургском обществе обращали на себя внимание». Для этих экспериментов Рихману была предоставлена «при дворе особливая камеера», которая, по-видимому, была первой отечественной электрической лабораторией. До Рихмана в России систематическим изучением электрических явлений не занимались. «Электрический указатель» Ломоносов и Рихман использовали при создании «громовой машины» — первой стационарной установки для наблюдения за интенсивностью электрических разрядов в атмосфере. Атмосферное электричество, в середине XVIII в. еще совершенно неизученное загадочное проявление гигантских сил природы, привлекало особое внимание М. В. Ломоносова.

«Громовая машина» (рис. 2.5) в принципе отличалась от «электрического змея» Франклина и приспособлений других исследователей, так как позволяла непрерывно наблюдать за изменением электричества, содержащегося в атмосфере при любой погоде.

С помощью «громовой машины» Ломоносов и Рихман установили, что электричество содержится в атмосфере и при отсутствии грозы, они убедительно доказали, что молния — это электрические разряды в атмосфере. Описывая их эксперименты, газета «Санкт-Петербургские ведомости» (1752, № 58) сообщала: «Итак, совершенно доказано, что электрическая материя одинакова с громовою материею, и те раскаиваться будут, которые... доказывать хотят, что обе материи различны».

Летом 1753 г. М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман провели уникальный эксперимент и с помощью громовой машины доказали, что, как писала та же газета (1753, №45) «... сие наблюдение почитается за чрезвычайное. Из сего наблюдения явствует, что ... электрическая сила без действительного грому быть может. Ежели второе правда, то не гром и молния электрической силы в воздухе, но сама электрическая сила грому и молнии причина». Ученые, при огромном стечении народа, устроили пальбу из целой батареи пушек, гром «сотрясал небо», но «электрический указатель» ничего не показывал ("искусством произведенный гром электрической силы не показывает").

Выводы М. В. Ломоносова послужили одной из основ впервые разработанной им теории атмосферного электричества. На публичном собрании Академии наук в сентябре 1753 г. Рихман, — писал Ломоносов, — «будет предлагать опыты..., а я — теорию и пользу от оной происходящую...».

Как известно, 25 июня 1753 г., во время грозы Г. В. Рихман, приблизившись к «электрическому указателю», был убит ударом в лоб «бледно-синеватым огненным шаром».

Трагическая смерть ученого послужила поводом для нападок со стороны духовенства и реакционных кругов на ученых, стремившихся проникнуть в тайны природы. Опыты Ломоносова и Рихма-на называли кощунственными и требовали их прекратить, подчеркивая, что смерть Рихмана — это «наказание господне за вторжение в область божью».

Но огромный научный авторитет Ломоносова и поддержка прогрессивных отечественных ученых позволили ему доказать недопустимость нанесения ущерба «славе и престижу» России, и в ноябре 1753 г. он выступил со своим знаменитым докладом «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих, предложенное от Михайла Ломоносова». В этом докладе — который, отметим, был произнесен на русском языке, впервые была изложена разработанная им строго научная материалистическая теория атмосферного электричества, которая — по утверждению современных специалистов, в своей принципиальной основе вполне соответствует современному представлению об этих явлениях Кстати, Ломоносов подчеркивал, что он в своей теории «Франклину ничем не обязан», все у него «собственное и новое».

По утверждению Ломоносова атмосферное электричество возникает в результате трения пылинок и других взвешенных частичек воздуха с капельками воды, происходящего при вертикальны: перемещениях воздушных потоков. Он указывал, что существуют вертикальные восходящие и нисходящие потоки воздуха, которые «не только гремящей на воздухе электрической силы, но и многих других явлений в атмосфере и вне оной суть источник и начало».

Процесс электризации Ломоносов объяснял так: поток теплого воздуха, устремляющийся вверх (восходящий поток), увлекает за собой различные «жирные и горючие пары» и другие примеси, на холящиеся в воздухе. Частицы этих паров Ломоносов называл «шаричками». Эти «шарички», по его мнению, имеют свойству близкие к свойствам твердого тела, и не могут поэтому смени ваться с частичками воды (капли дождя), встречающимися на и пути. В результате трения между «шаричками» и капельками воды возникают электрические заряды как на тех, так и на других. Ломоносов писал: ... «жирные шарички горючих паров, которы ради разной природы с водяными слиться не могут, и ради безмерной малости к свойствам твердого тела подходят, скорым ветреным движением сражаются, трутся, электрическую силу рождаю которая,распространяясь по облаку, весь оный занимает».

В разработке этой теории Ломоносов ближе, чем кто-либо из его предшественников, подошел к современным теориям грозы.

Особенного внимания заслуживают взгляды Ломоносова на природу статического электричества. Ломоносова не удовлетворяют многочисленные теории электричества, разработанные зарубежными исследователями, так как в большинстве из них, как о подчеркивал, «некоторые составлению электрической теории самые нужнейшие вещи не довольно наблюдены были». Ломоносов явился инициатором объявления Академий наук конкурса на тему «Сыскать подлинную электрической силы причину и составить точную ее теорию».

Свои воззрения на явления электричества Ломоносов сформулировал в 1756 г. в неопубликованном и сохранившемся лишь в виде тезисов труде «Теория электричества, разработанная математическим путем». В отличие от большинства своих современнике Ломоносов полностью отрицает существование особой электрической материи и рассматривает электричество как форму движения эфира. В его труде нет ни слова о различных субстанциях, с помощью которых многие ученые того времени пытались объяснить электрические явления. «Электрическая сила есть действие, вызванное легким трением... оно состоит в силах отталкивательных и притягательных, а также в произведении света и огня», пишет Ломоносов в своем труде.

«Эфирная» теория электричества, разработанная Ломоносовым, была передовой для своего времени. Она являлась новым шагом к материалистическому объяснению явлений природы. Эфирная теория получила дальнейшее развитие в трудах Эйлера, а позднее, в XIX в., ее придерживались Фарадей и другие крупнейшие ученые, Фарадей, например, считал электричество движением некоей, заполняющей все пространство, пронизывающей все тела упругой среды.

Северные сияния, по мнению Ломоносова, также имеют электрическую природу. Он рассматривал их как свечение, вызываемое электрическими зарядами в верхних слоях атмосферы. «... Весьма вероятно, — писал Ломоносов в своем "Слове о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих", что северные сияния рождаются от происшедшей на воздухе электрической силы».

М. В. Ломоносовым были проделаны интересные опыты со свечением разряженного воздуха в стеклянном наэлектризованном шаре — это свечение он сравнивал с северным сиянием: «Возбужденная электрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут, внезапные лучи испускает». Опыты Ломоносова по воспроизведению северных сияний на моделях были повторены только спустя 175 лет. Наблюдавшееся Ломоносовым свечение было по существу явлением электрического разряда в разреженном воздухе.

В поисках более безопасных методов измерения «электрической громовой силы» Ломоносов разработал своеобразный автоматический регистратор максимальной вели чины грозового разряда (рис. 2.6 ) После удара молнии по прибор; «сему увидеть можно коль велик; была самая большая громовая си ла». Основываясь на многочисленных опытах, Ломоносов пришел выводу о целесообразности широкого применения громоотводов. Он писал: «Такие стрелы на местах от обращения человеческого по мере удаленных, ставить за небесполезное дело почитаю, дабы ударяющая молния больше на них, нежели на головах человеческих и на храминах, силы свои изнуряла».

В отличие от Франклина Ломоносов правильно указал на решающую роль заземления в устройстве громоотвода.

Весьма оригинальные представления о сущности электрически: явлений были высказаны в уже упоминавшемся фундаментально» труде русского ученого А. Т. Болотова. Он в частности, писал «...но а том сумневаться не можно, что она ("электрическая материя" авт.) по примеру других состоит из частичек (выделено Болотовым) и что частичкам сим надобно быть чрезвычайной и непостижимой для нас мализны, причем эти частички способны к движению, которое происходит с «непостижимой скоростью». За тем Болотов задает вопрос: «А какой они — эти частички — фигуры, то есть формы?» И отвечает, что по их действию и способности к быстрому передвижению «... догадываться только можем, что надлежит им быть только круглыми». Примечательно, что в этом произведении мы не находим стандартных упоминаний об электрической жидкости — ведь с этого начинали изложение сути электрических явлений почти все физики того времени. Отметим кстати, что Болотов подчеркивает, что одна и та же электрическая материя есть повсюду и в атмосфере, и в недрах земли, и во всех телах, но не возле она находится в равных количествах и поэтому по-разному себя проявляет.

Большой вклад в изучение электрических явлений, в особенностью атмосферного электричества, был сделан известным американским ученым и общественным деятелем Бенджамином Фраклином (1706—1790 гг.). Им были произведены (1747—1752 гг.) многочисленные опыты по улавливанию и изучению атмосферного электричества, усовершенствован молниеотвод, разработана так называемая «унитарная» теория электричества (1747 г.)

Франклин высказал правильные предположения о материальном характере электричества, считая, что оно представляет собой элемент, состоящий из «частиц, чрезвычайно тонких». Ему удалось подойти к представлению об «электризации через влияние», т.е. к явлению электростатической индукции. Он впервые (1749) экспериментально доказал электрическую природу молнии и всё тождество с уже известными свойствами «электрической жидкости». Знаменитый опыт Франклина с воздушным ("электрическим") змеем убедительно показал возможность «извлечения» электричества из облаков, которым он заряжал лейденскую банку подобно тому, как это осуществлялось посредством электростатической машины. Предполагается, что им впервые были введены такие термины, как «батарея», «заряд», «разряд», а также он первым соорудил батарею из лейденских банок.

Вот некоторые подробности из истории громоотвода. Франклин рассуждал о заостренных, устремленных к небу проводниках, еще не имея возможности провести эксперимент. Его письма к английскому ученому Коллинсону, будучи прочитанными в Лондонском королевском обществе, вызвали насмешки и небыли опубликованы. В 1752 г. книга Франклина была опубликована во Франции, и переводчик книги Далибар реализовал проект Франклина, установив в своем загородном поместье вертикальный прут. Вслед за тем такие «громоотводы» были установлены в Марли близ Версаля и близ Парижа. Но вот что интересно: все эти стержни опирались на изоляторы и не были заземлены. Это обстоятельство позволило 10 марта 1752 г. во время грозы в Марли наблюдать разряды между железным стержнем и землей. В июне 1752 г. Франклин провел, наконец, вблизи Филадельфии свой знаменитый опыт со змеем, запущенным под облака. Намокнувший шнур, на котором удерживался змей, стал проводником, и Франклин экспериментально подтвердил свои гипотезы об атмосферном электричестве, громоотводе и единстве природы атмосферного ("естественного") и искусственного электричества, зарядив лейденскую банку.

Надо сказать, что идея громоотвода с очень большим трудом пробивала себе дорогу в быт городов главным образом из-за религиозных опасений "вмешательства в небесные дела". История сохранила свидетельство о том, как в 1783 г. один из жителей С.-Омера (Франция) установил на своем доме громоотвод и тем вызвал волнение среди жителей города. Только решением суда удалось сохранить громоотвод: судебный процесс между муниципальными властями и домовладельцем получил большую огласку и положи начало карьере блестящего адвоката, ставшего известным всей Франции. Вскоре о нем узнал весь мир: имя адвоката было Робеспьер.

Среди ученых, занимавшихся изучением электрических явле ний, следует отметить чешского естествоиспытателя Прокопа Дивиша (1698—1765). Он соорудил большую электростатическую машину, предложил несколько типов молниеотводов, изучал влияние электрических разрядов на рост посевов различных культур.

2.6. О «сходстве и подобии» электрических и магнитных явлений. Новые открытия. Закон Кулона

Постепенно электрические эксперименты перестают быть модными развлечениями и все более превращаются в мощное средство познания неизведанных тайн природы.

Мировую известность приобрел трактат петербургского академика Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724—1802 гт.) «Опыты теории электричества и магнетизма», изданный в Петербурге в 1759 г. Эпинус впервые указал на связь между электрическими и магнитными явлениями. К этому выводу он пришел в результате многочисленных экспериментов с электризацией кристаллов тур малина при их нагревании и охлаждении (1752 г.). Это явление позднее получило название пироэлектричества. Образование разноименных зарядов на противоположных концах кристаллов он уподоблял двум противоположным полюсам магнита. В своей речи на общем собрании Академии наук в 1758 г. Эпинус говорил не только о некоем союзе и сходстве магнитной и электрической силы, но и сокровенном обеих сил точном подобии». И будто испугавшись дерзости своих мыслей о «подобии» этих различных (по утверждениям его многих современников) явлений, он в конце речи добавил: «Но я таким образом заключать не отважусь». И не удивительно, прошло почти три четверти столетия, пока «сходство и подобие» электрических и магнитных явлений было убедительно доказано М. Фарадеем.

Независимо от Эпинуса итальянский ученый Д. Беккарня (1716— 1781 гг.) в 1758 г. выдвинул гипотезу о существовании тесной связи между «циркуляцией электрического флюида и магнетизмом».

Ф. Эпинусу принадлежит открытие явления электростатической индукции. Он впервые отверг утверждение Франклина об особой роли стекла в лейденской банке и применил плоский конденсатор с воздушной прослойкой. Он правильно утверждал, что чем меньше расстояние между обкладками банки и чем больше их поверхность, тем выше «степень электричества».

Предполагая, что «сила электрического потрясения» зависит главным образом от степени «сгущения электрической жидкости», Эпинус близко подошел к понятиям о потенциале и емкости. Эпинусом были поставлены эксперименты, воспроизводящие явления, имеющие место в приборе, названном позднее «электрофором». Изобретение электрофора обычно приписывают А. Вольта, но сам Вольта отмечал, что Эпинус осуществил на практике идею элекрофора, «хотя и не сконструировал законченного лабораторного прибора».

В своем сочинении Эпинус предложил свою теорию электрических и магнитных явлений, которая основывалась на существовании электрической и магнитной жидкостей. Заслуживает внимания его попытка впервые применить математические расчеты для характеристики взаимодействия заряженных тел. При этом он задолго до Кулона высказал предположение о том, что силы взаимодействия электрических и магнитных зарядов изменяются обратно пропорционально квадратам расстояния между ними. Эпинусом также была высказана правильная мысль о сохранении количества электричества. Для увеличения «количества электрической материи» в одном теле ее «неизбежно нужно взять вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле»:

Говоря о возникновении понятий потенциала ("напряжение") и емкости, необходимо отметить большой вклад выдающегося итальянского физика Алессандро Вольта (1745—1827 гг.). Его по праву можно назвать основателем электрической метрологии. В ряде своих работ (1778—1782 гг.) он четко формулирует количественные зависимости между электрическим зарядом, емкостью и напряжением: «...когда емкость больше, то данное количество электричества вызывает меньшее напряжение ... емкость и электрическое действие, или напряжение, находятся в обратном отношении»*. Причем под термином «напряжение» он понимает интенсивность или «усилие, производимое каждой точкой наэлектризованного тела». А. Вольта создал более совершенные электрофоры и электроскопы, в частности, конденсаторный электроскоп.

Среди ряда теорий электричества, разработанных в XVIII в., заслуживает внимания теория петербургского академика Л. Эйлера (1707—1783 гг.) — одного из выдающихся ученых своего времени.

Подобно М. В. Ломоносову Эйлер отрицал существование особой электрической материи и считал, что электрические явления обусловлены разрежением и сгущением эфира. Эта теория является дальнейшим развитием идей Ломоносова и приближается « эфирным теориям электричества XIX в. Эйлером описана также > одна из конструкций электростатической машины (1761 г.), от которой заряжалась лейденская банка.

Углубление исследований в области статического электричества не могло не привести к опровержению ряда ошибочных выводов, сделанных физиками в начальный период изучения этих явлений. Одним из таких ошибочных выводов было утверждение! невозможности электризации металлов трением.

В конце XVIII в. ряд европейских ученых, а также выдающий а русский физик и электротехник академик В. В. Петров приходят! заключению о том, что металлы могут быть наэлектризованы по средством трения при условии их тщательной изоляции. Наиболее убедительно это было доказано В. В. Петровым в его труде «Новые электрические опыты», изданном в 1804 г. Он показал, что особенно эффективным способом электризации металлов является «стегание» их выделанным мехом некоторых животных. И также разработан ряд новых методов электризации различных тел. В. В. Петров правильно установил влияние размеров, температуры и состояния поверхности тел, а также влажности окружающего воздуха на интенсивность электризации. Эти выводы В. В. Петрова, а также его указание на неустойчивость явления электризации тел подтверждены современными исследованиями.

Заслуживает внимания утверждение Петрова о возможности электризации человеческого тела посредством «стегания» — это позволяло врачам (он подчеркивает это в своем труде) применять электролечение без электростатической машины, которую не всякий медик мог иметь в своем распоряжении.

Результат опытов по электризации тканей, осуществленных Петровым, привели его к созданию электрофора оригинальной конструкции, в котором основание из смолы было заменено тщательно просушенной «мягкой байкой», сложенной в четыре слоя. Ученый провел целую серию новых экспериментов по электризации ртути и других веществ посредством «трясения» их в стеклянных сосудах.

В. В. Петров подверг специальному изучению явления статического электричества в разряженном воздухе и в атмосфере различных газов. С этой целью он построил совершенно оригинальную электростатическую машину (рис, 2.7), помещавшуюся под колоколом воздушного насоса. Установленный там же термометр фиксировал интенсивность электрических разрядов при разных температурах.

В частности Петров убедительно подтвердил возрастание электрической проводимости воздуха при его нагревании, обнаружил образование окислов азота при электрических разрядах в воздухе.

В последней четверти XVIII в. все более начинает проявляться новый образ мышления ученых, исследующих электрические и магнитные явления. Сделанные еще в 40—50 гг. М. В. Ломоносовым и Г. В. Рихманом первые шаги от качественных наблюдений к установлению количественных закономерностей, вызывают все больший интерес. Возможность перехода к количественным исследованиям обуславливалась как успехами математики, так и совершенствованием измерительных устройств.

Как уже отмечалось, ф. Эпинус пытался аналитически определить силу взаимодействия электрических зарядов. Вслед за ним английский ученый Генри Кавендиш (1731—1810 гг.) в своей статье (1771 г.) указывает на то, что притяжение двух электрических зарядов обратно пропорционально расстоянию в степени меньше третьей. В 1766 г. англичанин Т. Лейн изобрел новый тип электрометра, представлявшего собой разрядник с градуированием расстояния между электродами; с помощью такого электрометра можно было по расстоянию, при котором происходил пробой, определять «напряжение» электростатической машины. Известны также попытки физиков найти закон магнитного действия.

Важнейшим шагом в развитии количественных исследований электрических и магнитных явлений было установление закона о силе взаимодействия между наэлектризованными телами и магнитными полюсами. Этими вопросами занимались многие ученые (Эпинус, Кавендиш и др.), высказавшие предположение о «законе обратных квадратов».

Но наибольших успехов сумел достичь французский военный инженер Шарль О постен Кулон (1736—1806 гг.). В течение нескольких лет он проводил эксперименты с помощью прибора, который вначале был предназначен для изучения законов закручивания шелковых и волосяных нитей, а также металлических проволок.

В 1785 г. Кулон установил, что «сила кручения пропорциональна углу закручивания». Он решил использовать этот прибор для измерения «малых электрических и магнитных сил». Прибор позволял измерять «мельчайшие степени силы», и Кулон назвал его «крутильными весами» (рис. 2.8).

В результате многочисленных экспериментов он установил, что сила взаимодействия наэлектризованных тел пропорциональна «количеству электричества» (этот термин был им впервые введен в науку) заряженных тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Так был открыт Кулоном знаменитый закон, носящий его имя. Этот закон Кулон распространил и на взаимодействие магнитных полюсов.

Кулоном аналитически и экспериментально было доказано, что электричество распространяется по поверхности проводника, а также равномерно распределяется по поверхности изолированной проводящей сферы.

Исследования Кулона способствовали применению математического анализа в теории электричества и магнетизма, распространению математического понятия потенциала (ранее введенного в механику) на электрическое и магнитное поля.

2.7. Электромедицина — на службе человеку

В результате многочисленных экспериментов с электростатическими машинами и в особенности после изобретения лейденской банк стало очевидным влияние электрических разрядов на организм человека. Во второй половине XVIII в. в ряде стран Западной Европы и России электростатические машины и лейденские банки стали использоваться медиками для избавления людей от многих болезней.

Исследованием способов воздействия электричества на организм человека в течение многих лет занимался А. Т. Болотов. Им впервые в России была создана стационарная электролечебница с разнообразным набором инструментов и приборов для осуществления процедур.

В 1792 г. он написал «Историю моею електризоваания и врачевания разных болезней оным» в трех томах; им были написаны также «Журнал электрическим моим врачеваниям разных болезней» (1793 г.) и «Краткий электрический лечебник.» (1793 г.). Наибольший интерес представляет его книга, вышедшая в Петербурге в 1803 г. «Краткие и на опытности основанные замечания о электрицизме и о способности электрических машин к помоганию от разных болезней» (рис. 2.9.). А. Т. Болотов предлагает широко применять электричество для лечения люден, в особенности, «простого народа», страдающего от многих болезней. Созданная им простая и надежная электростатическая машина (рис. 2.10) использовалась «...не требуя починки, более десяти тысяч раз... Для лечения больных». И «... успех от сих действований так вожделен и удачен, что в течение двух лет, сколь мне по записям известно, в состоянии была помочь более 1500 человекам не только от разных легких... болезней, но много Раз от самых тяжких, долговременных, запушенных, ... даже самых редких... и таких болезней, которые всем другим употребляемым до того лекарствам и даже врачеванию искусных медик противоборствовали».

Заслуживает внимания стремление А. Т. Болотова максимально упростить конструкцию машины и инструментов с тем, что( их изготовление было «...сопряжено с меньшими хлопотами и искусством и с меньшими издержками» — это позволяло их изготавливать при помощи... столяра, кузнеца и слесаря" и иметь « примеру моему многим у себя дома».

Очевидно, что все это способствовало пробуждению интереса изучению электрических явлений, к опытам их практического к пользования. А. Т. Болотов выступает как пионер отечественной электромедицины, как ученый-патриот, стремящийся распространять и пропагандировать достижения науки, использовать их в интересах народа.

Значительный вклад в электромедицину был сделан академиком В. В. Петровым, который использовал для этих целей не только электростатические машины, но как это будет показано следующей главе — и электрохимические источники, в частност созданную им уникальную гальваническую батарею.

Успехи в области исследования электростатических явлений их практического применения, достигнутые к концу XVIII столетия, подготовили почву для открытия новых, ранее не известных явлений, создания источников постоянного электрического тока изучения его свойств. Все это привело к становлению и последующему бурному развитию электротехники.

ГЛАВА 3 ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА. ЗАКЛАДКА ФУНДАМЕНТА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

3.1. «Животное» электричество Гальвани. Новая «таинственная материя»?

В течение многих столетий вплоть до последней четверти XVIII ученым были известны только явления статического электричества . Промышленный переворот XVIII в. дал мощный толчок развитию различных отраслей науки, в том числе науке об электричестве. В изучении электрических явлений были достигнуты определенные успехи, ими начинают все более интересоваться не только физики, но естествоиспытатели, в особенности врачи, пытавшиеся (и не безуспешно) применять электричество для лечебных целей (см. гл. 2).

Отдельные ученые высказывали предположение, что если «вся природа электрическая», то и в организмах человека и животных по жилам и мускулам должна протекать эта таинственная материя. Одним из подтверждений указанных воззрений были «электрические» рыбы, известные еще с древних времен. Так возникло представление о новом виде электричества, названного «животным».

И не случайно исследованием мышечных движений лягушек под воздействием электричества занялся в 1773 г. профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани (1737—1798 гг.). Первые электрофизиологические опыты Гальвани над лягушками относятся к 1780 г. Спустя 11 лет он опубликовал результаты своих исследований в знаменитом «Трактате о силах электричества при мышечном движении», получившем широкую известность.

Во время одного из экспериментов, когда препарированная лягушка лежала на столе, на котором находилась электростатическая машина, Гальвани заметил, что, если прикоснуться скальпелем (или любым проводником) к бедренному нерву лягушки в момент, когда из кондуктора машины извлекается искра, то мышцы лягушки судорожно сокращаются. Естественно было предположить, что и атмосферное электричество должно действовать аналогично. И, действительно, при «вспыхивании молнии» мышцы «... впадали в сильнейшие сокращения». Желая выяснить, какие явления будут наблюдаться «при ясном небе», Гальвани прикрепил медный крючок к спинному мозгу лягушки и подвесил крючок к железным перилам балкона. Прижимая другой конец крючка к перилам, он снова наблюдал сокращение мышц. Подозревая, что состояние атмосферы не действует на лягушку, он повторил эксперимент в своей домашней лаборатории: положив препарированную лягушку на металлическую обшивку стола и прижав медный крючок, продетый через спинной мозг лягушки к ученым были известны только явления статического электричества столу, он снова увидел сильные сокращения. Однако при замене одного из металлов непроводником сокращений не происходило.

Но сокращения были «энергичнее и продолжительнее», если лягушка лежала не на железном листе, а на серебряной пластине.

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

Опыты Гальвани вызвали большой интерес. Среди физиологов стала еще больше, чем ранее, укрепляться мысль об электричестве как удивительном новом средстве для исцеления. Что касается физиков, то их взгляды на явления, наблюдаемые Гальвани, разошлись. Одни соглашались с Гальвани и считали, что «гальваническое», или «животное», электричество имеет совершенно иную природу, чем электричество трения, другие отождествляли оба вида электричества; наконец, третья группа физиков оспаривала вообще существование «животного» электричества. К этой группе принадлежал профессор физики в Павийском университете Алессандро Вольта (1745—1827 гг.).

3.2. Создание первого источника электрического тока — начала новой эпохи в истории электричества и магнетизма

В течение нескольких лет (1792—1795 гг.) А. Вольта не только повторил все опыты Гальвани, но и произвел ряд новых исследований. И если Гальвани искал причину обнаруженных им явлений как физиолог, то Вольта, будучи физиком, искал в них физические процессы.

А. Вольта прежде всего обратил внимание на то, что сокращения мышц наиболее интенсивно происходят при использовании двух разнородных металлов (это было известно и Гальвани). Продолжая исследования, он отверг идеи Гальвани о «животном» электричестве и пришел к выводу, что источником электричества является контакт двух разнородных металлом: «Металлы не только прекрасные проводники, но и двигатели электричества», — утверждал Вольта. А «... лягушка, приготовленная по способу Гальвани, есть чувствительный электрометр».

Обобщением исследований Вольта была предложенная им теория «контактного электричества». Эта теория утверждала, что при соприкосновении различных металлов происходит разложение их «естественного» электричества. При этом электричество одного знака собирается на одном металле, другого — на другом. Силу, возникающую при контакте двух металлов и разлагающую их «естественное» электричество, Вольта назвал электровозбудительной или электродвижущей силой. Эта сила «перемещает электричество так, что получается разность напряжений» (между металлами — авт.).

Продолжая исследования при помощи созданного им весьма чувствительного прибора — электроскопа с конденсатором, Вольта установил, что металлы можно распределить в некоторый ряд, в котором «разность напряжений» между двумя металлами будет тем больше, чем дальше они расположены друг от друга.

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

Многочисленные эксперименты привели Вольта к выводу, что непрерывный электрический «флюид» может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников — металлов (которые он называл проводниками первого класса) и жидкостей (названных им проводниками второго класса).

Опыты Вольта завершились построением 1799 г. первого источника непрерывного электрического тока, составленного из медных цинковых кружков (пар), переложенных суконными прокладками, смоченными водой или кислотой. Этот прибор, о котором он впервые сообщил Президенту Лондонского королевского общества в марте 1800 г., был назван им «электродвижущим аппаратом», а позднее французы стали его называть «гальваническим или вольтовым столбом» (рис. 3.1).

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

А. Вольта предложил, кроме столба, еще и несколько иную конструкцию источника электрического тока — так называемую чашечную батарею (рис. 3.2), действие которой, по его мнению, также было основано на контакте между двумя металлами (роль влажной суконной прокладки столба заменяла жидкость).

Чашечная батарея представляла собой соединение отдельных элементов, имевших форму банок, наполненных разбавленной серной кислотой, в которую погружались медная 1 и цинковая 2 пластины. Кроме предложенных Вольта конструкций источника электрического тока вскоре были разработаны некоторые другие его модификации.

Создание вольтова столба подготовило почву для закладки фундамента электротехники, Ф. Энгельс отмечал, что открытие гальванического тока имеет для учения об электричестве по меньшей мере такое же значение, как открытие кислорода для химии. А современник Вольта выдающийся французский ученый академик Доменик Франсуа Араго (1786—1853 гг.) считал вольтов столб «самым замечательным прибором, когда-либо изобретенным людьми, не исключая телескопа и паровой машины». В этом определении нельзя усматривать преувеличения. Вольтов столб — первый источник непрерывного электрического тока, сыгравший громадную роль как в развитии науки об электричестве, так и в расширении его практических приложений. Вольтов столб в различных своих модификациях долгое время оставался единственным источником электрического тока. Как будет видно из последующего, крупнейшие учены червой половины XIX в. — Петров, Дэви, Ампер, Фарадей широко, применяли вольтов столб для своих опытов.

Научный вклад итальянского ученого был высоко оценен его современниками. Легенды о Вольта уже ходили среди ученых при его жизни. Его интересовали самые различные явления природы, его можно было назвать «огнепоклонником» — он всю жизнь стремился познать тайны пяти природных «огней»: небесных (северные сияния и сполохи), атмосферных (молнии и зарницы), бьющихся из под земли (горючие болотные газы), подземных, сотрясающих землю (вулканические) и самого главного — огня электрического, который царит во всех явлениях природы.

Создав вольтов столб, Вольта подарил миру, как писал один из его биографов, «невиданный ранее источник электричества, не порциями, как от банок и электрофоров, а непрерывным потоком».

Вольтов столб был последним, но наиболее выдающимся изобретением Вольта, он произвел среди ученых «вольтаическнй фурор». Повторяя опыты Гальвани, он убедился, что лягушка реагировала на заряд, вдвое меньше, чем самый чувствительный из созданных электрометров. В доказательство своих воззрений Вольта произвел в 1794 г. «эпохальный опыт ("квартет мокрых"), потрясший современников. Четверо с мокрыми руками становились в круг, затем первый правой рукой держит цинковую пластинку, а левой касается языка второго; второй касается глазного яблока третьего, который держит за ножки препарированную лягушку, а четвертый правой рукой схватывает ее тельце, а левой подносит серебряную пластинку к цинковой в правой руке первого. В момент касания первый резко вздрагивает, второй морщится от «лимонного» вкуса, у третьего — искры в глазах, четвертый чувствует неприятные ощущения, а лягушка будто оживает и трепещет.

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

Современники называли Вольта самым великим физиком, жившим в Италии после Галилея. Наполеон предложил избрать его в «число бессмертных», наградил крестом Ордена Почетного легиона и сделал графом и сенатором Италии. А. Вольта был членом многих академий, в том числе почетным членом Петербургской Академии наук. В 1981 г. на Международном конгрессе электриков в Париже единице напряжения было присвоено наименование «Вольт».

3.3. Обнаружение и изучение действий электрического тока. я «Огромная наипаче батарея» В. В. Петрова

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

В 1800 г. вскоре после получения известия об изобретении вольтова столба члены Лондонского королевского общества Антони Карлейль и Вильям Никольсон роизвели ряд опытов с вольтовым столбом, которые привели их к открытию нового явления: при прохождении тока через воду имело место выделение газовых пузырьков; исследовав выделявшиеся газы, они правильно установили, что это кислород и водород. Таким образом, впервые был осуществлен электролиз воды. Вскоре после опубликования работ А. Карлейля и В. Никольсона (июль 1800 г.) появилась в немецком научном журнале «Annalen der Physik» статья немецкого физика Иоганна В. Риттера, также осуществившего разложение воды током. После открытия действия тока на воду ряд ученых заинтересовался вопросом о том, к каким результатам приведет пропускание тока через другие жидкости. В том же 1800 г. голландский химик Вильям Крейкшенк, пропуская ток через раствор поваренной соли, получил на отрицательном полюсе едкий натр, не подозревая, что здесь имела место вторичная реакция: поваренная саль разлагалась на NA и С1 причем натрий, жадно соединяясь с водой, образовывал едкий натр.

Указанные эксперименты положили начало исследованию химических действий гальванического тока, получивших впоследствии важное практическое применение.

Тепловые действия тока были обнаружены в накаливании тонких металлических проводников и воспламенении посредством искр легко воспламеняющихся веществ. Световые явления наблюдались в виде искр различной длины и яркости.

В 1802 г. итальянский физик Джованни Д. Романьози обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводнику, вызывает отклонение свободно вращающейся магнитной стрелки, находящейся вблизи этого проводника. Однако тогда, в первые годы изучения электрического тока, явление, открытое Романьози, имевшее, как

впоследствии выяснилось., громадное значение, не Подучило должной оценки. Только позднее, в 1820 г., когда наука об электричестве достигла более высокого уровня, магнитное действие тока, описанное датским физиком Гансом Христианом Эретедом (1777—1851 гг.), стало предметом глубокого « всестороннего изучения.

Среди многочисленных исследований явлений электрического тока, произведенных в первые годы после построения вольтова столба,, наиболее выдающимися были труды первого русское электротехника, профессора физики Петербургской Медико-хирургической академии, академика Василия Владимировича Петрова (1761—1834 гг.), так как в них впервые была показана доказана возможность практических применений электричества.

Поистине трагическая судьба постигла этого выдающегося ученого, который в истории русской физики — по словам бывшего президента Академии наук СССР академика С. И. Вавилова — по значению своих трудов «непосредственно следует за М. В. Ломоносовым». Какими же заслугами нужно было обладать сыну скромного приходского священника в г. Обояни (Курской губернии), чтобы удостоиться звания академика Петербургской Академии наук, значительная часть членов которой имеют знатное происхождение, а многие были иностранцами.

В. В. Петров был не только выдающимся физиком и химиком; но и блестящим педагогом, основателем первого крупного физического кабинета «превосходнейшего во всей Российской империя».

Это был скромный и неутомимый труженик: никто не знает» сколько бессонных ночей провел он над исследованием «светоносных» электрических явлений, открыв электрическую дугу и ряд| закономерностей электрического разряда в вакууме.

Трудно представить, в каких условиях жил и работал В. В. Петров, в особенности в последние 25 лет своей жизни. Это был период жестокой реакции, когда царские чиновники ополчились против науки и просвещения, не без основания видя в них угрозу самодержавию.

Защитник всего передового и прогрессивного, неустанный борец за просвещение русского народа, В. В. Петров открыто выступал против засилья иностранцев в Академии наук и руководства Министерства просвещения и Академии наук, требовал выделений средств для оснащения физического кабинета новейшим оборудованием, которое с успехом использовалось крупнейшими европейскими физиками. Все это вызывает враждебное отношение со стороны официальных кругов. В знак протеста Петров демонстративно отказывается участвовать в похоронах императора Александра I. Конфликт обостряется, и заслуженного ученого отстраняют от руководства физическим кабинетом и вскоре увольняют из Медико-хирургической академии, профессором которой он был около 40 лет. Посте смерти В. В. Петрова делается все для того, чтобы имя его было забыто.

И это удалось. Целое поколение русских физиков в течение полувека (1834—1886 гг.) ничего не знало о своем выдающемся соотечественнике.

Только счастливый случай вернул вторую жизнь трудам Петрова. В 1886 г. студент Петербургского университета А. Гершун (впоследствии известный специалист в области оптических приборов), разбирая "старые книги в Виленской библиотеке, с удивлением обнаружил главный труд Петрова, «Известие о гальвани-вольтовских опытах». Он узнает о выдающихся открытиях Петрова, возвращается в Петербург и сообщает о своей находке сталичным физикам.

Книга вызвала огромный интерес. Видные физики выступают с докладами о вкладе В. В, Петрова в отечественную электротехнику, в 1887 г. в журнале «Электричество» появляется первая статья о забытом русском электротехнике. Только в 1915 г. с трудом разыскали заброшенную могилу В. В. Петрова на Смоленском кладбище, Заметим, кстати, что прах Вольта — в монументальном саркофаге, на котором установлен бюст ученого, а саркофаг находится в мавзолее. Комментарии, как говорится, излишни.

И только в советское время были проведены более полные исследования трудов В. В. Петрова, а в 1935 г. Президиум ЦИК СССР принял постановление «Об ознаменовании столетия со дня смерти первого русского электротехника академика В. В. Петрова»,

В своих трудах по электричеству Петров собрал обширный опытный материал, который им был тщательно проанализирован. Петров глубоко понимал значение эксперимента для всестороннего изучения явлений природы. Он писал: «...гораздо надежнее искать настоящего источника электрических явлений не в Умствованиях, к которым доселе только прибегали почти все физики, но в непосредственных следствиях самих опытов».

Будучи хорошо знакомым с опытами, производящимися с вольтовым столбом как в России, так и за границей, Петров пришел к правильному выводу о том, что наиболее полное и всестороннее изучение гальванических явлений возможно только при условии создания большой батареи т.е. по современной терминологии — источника тока высокого напряжения. Поэтому он добивается перед руководством Медико-хирургической академии выделения средств для постройки «такой огромной величины батареи, чтобы оною можно было надежнее производит» такие новые опыты», каких не производил никто из физиков.

В апреле 1802 г. батарея В. В. Петрова, состоявшая из 4200 медных в Юшковых кружков или 2100 медно-цинковых элементов (Петров называл ее «огромная наипаче батарея» была готова. Она располагалась в большом деревянном ящике, разделенном по длине на четыре отделения (рис 3.3). Стенки ящика и разделяющих перегородок были покрыты сургучным лаком. Общая длина гальванической батареи Петрова составляла 12м — это был крупнейший в мире источник электрического тока. Как показали современные экспериментальные исследования с моделью батареи Петрова, электродвижущая сила этой батареи составляла около 1700 В, а максимальная полезная мощность 60 — 85 Вт. Ток короткого замыкания батареи не превышал 0,1 —- 0,2 А. В. В. Петров вначале производил, как он указывал, уже известные опыты другая физиков, а после старался производить и такие опыты, «...о которых дотоле не имел... никакого известия».

Долгое время точная дата первых экспериментов с огромной наипаче батареей» была неизвестна. Но в 1950 г. одним из авторов настоящей книги была обнаружена статья в журнале «Северный вестник» (1804 г.), в котором указывается дата первых публичных опытов Петрова (рис. 3.4).

Свои разнообразные опыты Петров подробно описал в книге «Известие о гальванн-вольтовских опытах», которая вышла в С.-Петербурге в 1803 г. (рис. 3.5). Это была первая книга на русском языке, посвященная исследованиям явлений электрического тока.

И за границей не только до выхода в свет книги Петрова, но к в течение двух ближайших десятилетий не появилось ни одного столь оригинального сочинения, в котором была бы с такой полнотой освещена эта новая область науки. В. В. Петрову было хорошо известно, с каким интересом относятся в России к изучению явлений электрического тока. Поэтому он в своей книге подробно описал не только опыты с гальванической батареей, но и способы ее изготовления, ухода за ней, методику экспериментов и т.п.

Книга была написана на русском языке в первую очередь для тех читателей, которые не владели иностранными языками и жили в «отдаленных от обеих столиц местах».

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

В. В. Петров произвел всесторонние исследования свойств созданной им батареи как источника электрического тока. Опираясь на результаты опытов, он подошел к пониманию того, что действие батареи основано на химических процессах, происходящих в гальваническом элементе медь — цинк, и впервые правильно установил роль крайних металлических кружков, которые служили лишь проводниками электричества. Петров также верно указал на то, что окисление поверхности металлических кружков вызывает ослабление действия батареи. Эти выводы Петрова по существу опровергали «контактную» теорию электричества, однако сам Петров не выступал с таким опровержением.

В. В. Петровым была впервые установлена важнейшая закономерность в электрической цепи — зависимость тока в проводнике от площади поперечного сечения проводника. Он правильно указал на то, что при увеличении сечения проводника ток в кем возрастает. Поэтому Петров является самым первым среди предшественников Ома, сформулировавшего в 3 327 г. закон, носящий его имя. Петров установил, что через вещества, обладающие большим сопротивлением, гальвани-вольтовская жидкость (так он называл электрический ток — авт.) может протекать лишь тогда, когда «количество ее весьма знатно увеличится», т.е. ло современной терминологии при повышении напряжения в цепи В. В. Петровым впервые введен в электротехнический язык термин «сопротивление».

3.4. Открытие электрической дуги. Электрохимические исследования

Наибольший интерес из всех работ Петрова представляет открытие им в 1802 г. явления электрической дуги между двумя угольными электродами, соединенными с полюсами «огромной» батареи. Создание Петровым источника высокого напряжения явилось необходимым условием для получения устойчивой электрической дуги при небольших токах. Указывая на возможность широкого практического применения электрической дуги, Петров писал, что пламенем дуги «темный покой довольно ясно освещен быть может», что в пламени дуги различные «металлы иногда мгновенно расплавляются, сгорают..., что «посредством огня» дуги он превращал окислы различных металлов в «металлический вид». Следовательно, опыты Петрова давали прямое указание на возможность применения электричества для целей освещения, плавки металлов и восстановления металлов из их окислов.

Широкая практическая реализация этих прогрессивных идей Петрова началась лишь спустя 75—80 лет. Но ни изобретатель первой широко распространенной дуговой электрической лампы ("электрической свечи") П. Н. Яблочков, ни изобретатели электросварки и электроплавки металлов Н. Н. Бенардос и Н. Г. Славянов ничего не знали о трудах В. В. Петрова, имя которого — как уже отмечалось, многие годы умышленно замалчивалось. А открытие электрической дуги приписывалось X. Дэви и она была известна под названием «вольтовой дуги», хотя Вольта к её открытию не имел никакого отношения.

До В. В. Петрова никто так ясно и четко не указывал на возможность практического применения электричества. Поэтому В. В. Петров является одним из основоположников электротехники. Предшественники Петрова не могли наблюдать явления душ, так как они употребляли небольшие гальванические батареи, состоявшие большей частью из 100—200 элементов. ЭДС таких батарей были недостаточны для получения устойчивой дуги при огромных внутренних сопротивлениях батарей того времени. Известному английскому ученому Хэмфри Дэви (1778—1829 гг.) удалось получить электрическую дугу только в 1808 г., когда им была построена большая гальваническая батарея, состоявшая из 2000 элементов.

Подробное описание явления электрической дуги Дэви дал в 1812 г., при этом он сам ни в какой степени не претендовал на первенство в открытии этого явления.

В. В. Петровым было положено начало всестороннему исследованию явлений электрического разряда в вакууме (рис. 3.6). Он установил зависимость этих явлений от материала, формы и полярности электродов, расстояния между ними и степени вакуума. Позднее эти выводы получили подтверждение и развитие в трудах других ученых, в частности М. Фарадея.

Пропуская электрический ток через разные жидкости и тела, Петров внимательно исследовал влияние материала и формы электродов на протекающие процессы; он применял самые разнообразные электроды: железные, серебряные, медные, оловянные, золотые, древесноугольные, графитовые, марганцевые и др. Петровым была правильно определена степень электропроводности некоторых веществ (древесного угля, льда, серы, фосфора, растительных масел) и выявлены их физико-химические свойства.

Петров впервые применил параллельное соединение электродов для демонстрации явления электролиза в нескольких трубках с водой, происходящего одновременно при пропускании электрического тока через жидкости (рис. 3.7).

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

Петров явился одним из первых физиков, высказавших правильный взгляд об общности и различии в проявлениях статического и гальванического электричества. Он сделал попытку выявить сущность электрических явлений, установить причину образования электричества, однако при современном ему уровне знаний такую задачу решить было невозможно. Заслуживает внимание мысль Петрова о том, что электрические явления обусловлены определенными физико-химическими процессами.

В своем труде В. В. Петров пытается решить вопрос о скорости направлении движения электрического тока.

Отдельная глава книги посвящена действию тока «на тела живых особливо животных» и даются рекомендации для врачей. Использование гальванических батарей дает новый толчок развитию электромедицины (рис. 3.8).

Труды Петрова были хорошо известны его современникам и изучались русскими физиками первой трети XIX в., что не могло не оказать заметного влияния на развитие науки об электричестве, на расширение практических применений электричества. Среди учеников Петрова были талантливый физик и химик С. П. Власов, академик И. X. Гамель, профессор И. Е. Грузинов, С. В. Большой и др.

Первые электрохимические опыты, произведенные вскоре после изобретения вольтова столба, вызвали значительный интерес к этим вопросам. Специальному исследованию электрохимических явлений были посвящены труды английского ученого X. Дэви, имевшие важное значение для практики. Дэви доказал своими опытами несостоятельность мнений, господствовавших в то время среди ученых, что при электролизе воды на одном полюсе получается кислота, а на другом основание. Он показал, что кислоты и основания, получаемые при электролизе, являются продуктами последующих вторичных реакций. Повторив опыты разложения воды в разных условиях (стеклянные, агатовые и золотые сосуды; в воздухе и в атмосфере водорода), Дэви доказал, что пресная вода разлагается при электролизе только на кислород и водород, причем объем водорода, образующегося при этом, вдвое больше объема кислорода. Он установил, что химически чистая вода не поддается электролизу и что электрический ток только разлагает соединения, но не создает никаких новых соединений. Дэви одним из первых высказал правильные взгляды на то, что электрический ток, полученный от вольтова столба, возникает в результате химических процессов между металлами и электролитом.

В 1807 г. Дэви впервые получил электролитическим путем щелочные элементы калий и натрий, ранее не известные в чистом виде; в 1808 г. им были также получены магний, бор, барий, стронций и кальций. Эти открытия наглядно иллюстрировали практическую ценность электролиза и еще больше усилили интерес ученых к химическим действиям тока.

В 1802—1807 гг. ряду ученых, в том числе профессору Московского университета Петру Ивановичу Страхову (1756—1827 гг.), удалось установить опытным путем, что земля и вода являются проводниками тока (рис. 3.9). Этим открытием была создана возможность применения земли и воды в качестве обратного (второго) провода при осуществлении установок и устройств для передачи электрического тока от генератора к приемникам.

В 1807 г. профессор Московского университета Федор Федорович Рейс (1778—1852 гг.) обнаружил явление, получившее впоследствии название электроосмоса. Явление электроосмоса Рейс обнаружил при следующем опыте (рис. 3.10): в стеклянную U-образную трубку диаметром около 1 см и общей длиной 18 см была залита вода, а самый изгиб трубки заполнялся порошкообразным; нерастворимым веществом (тертым камнем или песком), так что между обоими коленами трубки получалась пористая перегородка. В калена трубки вводились платиновые электроды и погружались в воду. Посте присоединения этих электродов к полюсам вольтова столба около них начинали появляться пузырьки газов 9 результате разложения воды на кислород и водород. При этом вода начинала сразу подниматься в колене, соединенном с отрицательным полюсом столба, и опускаться в другом колене, проходя под действием тока сквозь пористую перегородку.

При отключении вольтова столба вода вновь устанавливалась на прежнем уровне. В своих выводах из этих опытов Рейс указывает, что под действием электричества жидкость может переноситься сквозь пористые тела. Явление электроосмоса в современной технике получило практическое применение, в частности при осушке намывных плотин (электродренаж).

Широкое применение вольтовых столбов и других источников электрического тока не могло не усилить интереса к вопросу о том, в результате каких действий в них появляется электрический ток. Все яснее становилось, что химические явления в гальванических элементах являются первичными, а появление тока есть их следствие, т.е. явление вторичное. Контактная теория Вольта становилась малоубедительной, и ей все энергичнее стала противопоставляться химическая теория гальванизма, согласно которой возникновение электричества определяется химическими процессами. Эта теория впервые наиболее четко была разработана петербургским академиком Георгом Парротом (1767—1852 гг.), считавшим, что явления в вольтовом столбе и других гальванических элементах происходят исключительно посредством окисления металлов, т.е. за счет измерения одного из веществ элемента. М. Фарадей также выступал против контактной теории электричества, указывая, что нет такого случая, даже при ударах электрического угря и ската, когда электричество получалось бы без затраты какого- либо другого вида энергий.

Многочисленные опыты по электролизу различных жидкостей вскоре привели к необходимости объяснения механизма электролиза, вызвали потребность в теоретических обоснованиях проходящих явлений.

Теории электролиза были предложены рядом ученых: литовским профессором Гротгусом, шведским химиком Берцеллиусом и др. Наиболее приближающейся к современным воззрениям на процессы электролиза явилась теория электролиза Теодора Гротгуса (1785—1822 гг.), которая была по существу первой ионной теорией электролитических явлении Гротгус в 1805 г. опубликовал «Мемуар о разложении при помощи гальванического электричества воды, а также растворенных в ней тел». В этом сочинении он указывал, что в частицах воды кислород и водород вследствие трения или соприкосновения друг с другом заряжаются противоположными по знаку зарядами еще до замыкания цепи. Источник тока Гротгус рассматривал как электрический магнит, имеющий два полюса. При замыкании цепи отрицательный полюс притягивает положительно заряженный водород, а положительный полюс — кислород, имеющий отрицательный заряд.

Прохождение тока через воду, по мнению Гротгуса, сопровождается диссоциацией молекул и протекает следующим образом ближайшая к положительному полюсу частица отдает кислород, который притянется положительным электродом и выделится около него в виде газа; оставшийся водород этой частицы окислится за счет кислорода следующей частицы и вновь отдаст свой кислрод положительному электроду и т.д. Точно так же частицы водорода будут притягиваться отрицательным электродом и выделяться около него в виде газа.

Важными особенностями теории Гротгуса явилось, во-первых, указание на то, что частицы воды поляризуются еще до замыкания цепи, и, во-вторых, объяснение разложения нейтральной молекулы воды на положительные и отрицательные ионы.

Теория Гротгуса была передовой для своего времени, она продержалась в науке более 70 лет, уступив место теории электролитической диссоциации. Известные законы электролиза были сформулированы М. Фарадеем в 1833—1834 гг. Им же были предложены термины электрод, анод, катод.

3.5. Взаимодействие электрического тока и магнита. Разработка основ электродинамики

Расширение и углубление исследований электрических явлений привели к открытию и изучению новых свойств электрического тока.

Как отмечалось, в 1820 г. были опубликованы и продемонстрированы опыты Г. X. Эрстеда по наблюдению действия тока на магнитную стрелку, возбудившие большой интерес среди ученых разных стран и получившие в их трудах дальнейшие углубление и развитие.

Небольшая (менее 5 страниц) брошюра Эрстеда «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку произвела сенсацию среди европейских физиков.

Заслуживает внимания заключение Эрстеда о том, что «электрический конфликт» (т.е. встречное движение положительной и отрицательной «электрической материи») в проводнике «...не ограничен проводящей проволокой, но имеет обширную сферу активности вокруг этой проволоки... Этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки» (подчеркнуто нами). Очевидно, что Эрстед заблуждался, полагая, что на магнитную стрелку действует столкновение разнородных электричества. Но о связи между электрическими и магнитными явлениями Эрстед высказывал предположение в одном из своих трудов, изданном еще в 1812 г.: «Следует испробовать, не производит ли электричество в своей самой скрытой стадии каких- либо действий на магнит, как таковой». Вскоре после опубликования этой брошюры (в 1820 г.) немецкий физик Иоган X. С. Швейггер (1779—1857 гг.) предложил использовать отклонение магнитной стрелки электрическим током для создания первого измерительного прибора — индикатора тока. Его прибор, получивший название «мультипликатора» (т.е. умножающего) представлял собой магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из нескольких витков проволоки (рис. 3.11).

Однако вследствие влияния земного магнетизма на магнитную стрелку мультипликатора его показания были неточными. Ампер в 1821 г. показал возможность устранения влияния земного магнетизма с помощью астатической пары, представляющей собой дне магнитные стрелки, укрепленные на обшей медной оси и распложённые параллельно друг другу, с полюсами, обращенными и противоположные стороны. В 1825 г. флорентийский профессор Леопольдо Нобили (1784—1835 гг.) скомбинировал астатическую пару с мультипликатором и устроил таким образом более чувствительный прибор — прообраз гальванометра.

В 1820 г. Д. Ф. Араго было обнаружено новое явление — намагничивание проводника протекающим по нему током. Если медная проволока, соединенная с полюсами вольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к ней прилипали. При выключении тока опилки отставали. Когда Араго брал вместо медной проволоки железную (из мягкого железа), то она временно намагничивалась. Кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом. По рекомендации Ампера Араго заменил прямолинейную проволоку проволочной спиралью, при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, усиливалось. Так был создан соленоид. Опыты Араго впервые доказали электрическую природу магнетизма и возможность намагничивания стали электрическим током.

В процессе исследований Араго обнаружил (в 1824 г.) еще одно новое явление, названное им «магнетизмом вращения» и заключавшееся в том, что при вращении металлической (медной) пластины, находящейся над магнитной стрелкой (или под ней), последняя также приходит во вращение. Объяснить это явление не Смогли ни сам Араго, ни Ампер. Правильное объяснение этого явления было дано Фарадеем только после открытия явления электромагнитной индукции (см. гл. 4).

Новым шагом от качественных наблюдений действия тока на магнит к определению количественных зависимостей явилось установление французскими учеными Жаном Батистом Био (1774— 1862 гг.) и Феликсом Саваром (1791 — 1841 гг.) закона действия тока на магнит. Проведя ряд экспериментов, они установили О 1820 г.) следующее: «если неограниченной длины провод с проходящим по нему вольтовым током действует на частицу северногоили южного магнетизма, находящуюся на известном расстоянии от средины провода, то равнодействующая всех сил, исходящих из провода, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию частицы от провода, и общее действие прокола на любой (южный или северный) магнитный элемент обратно пропорционально расстоянию последнего до провода». Обнаружение тангенциальной составляющей силы позволило объяснить вращательный характер движения проводника относительно магнита.

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

Важнейшее научное и методологическое значение в расширении исследования новых явлений имели труды одного из крупнейших французских ученых — Андре Мари Ампер; (1775—1836 гг.), заложившие основы электродинамики.

Ампер был необыкновенно одаренным от природы человеком. Несмотря на то что ему не довелось учиться в школе, у него не было учителей, кроме его отца — весьма образованного коммерсанта, он с поразительным упорством, самостоятельно овладевая знаниями, стал одним из образованнейших людей своего времени. Физика и математика, астрономия и химия, зоология и философия — во всех этих науках ярко проявились энциклопедические знания Ампера. Ему было всего 13 лет, когда он представил в Лионскую Академию наук, литературы и искусства свою первую математическую работу. К 14 годам он изучил нее 20 томов знаменитой «Энциклопедии» Дидро и д'Аламбера, а к 18-ти — в совершенстве изучил труды Л. Эйлера, Д. Бернулли н Ж. Лагран- Жа, знал латынь и несколько иностранных языков.

Личная жизнь Ампера была полна трагических событий: 18-летним юношей, он был потрясен казнью на гильотине его отца, как сторонника жирондистов (1793 г.), спустя несколько лет он похоронил любимую жену; весьма печальной была судьба его дочери — все это вызвало серьезную сердечную болезнь, которая свела его в могилу.

Но несмотря на огромное нервное напряжение, Ампер сумел Найти в себе силы, чтобы неустанно заниматься фундаментальными научными исследованиями и сделать немеркнущий вклад в сокровищницу мировой цивилизации.

Его исследования в области электромагнетизма открыли новую страницу в истории электротехники. И при изучении этих явлений ярко проявились поразительные способности Ампера.

Он впервые узнал об опытах Эрстеда на заседании Парижской Академии наук, где их повторил во время своего сообщения Араго. Вместе с восхищением Ампер интуитивно почувствовал важность этого открытия, хотя ранее он не занимался изучением электромагнитных явлений.

И ровно через неделю (всего через неделю!) 18 сентября 1820 г. Ампер выступает на заседании Академии с докладом о взаимодействии токов и магнитов, а затем почти подряд — неделю за неделей (заседания Академии наук проводились еженедельно) он излагает перед крупнейшими французскими учеными результаты своих экспериментальных и теоретических обобщений, которые позднее были отражены в его знаменитом труде по электродинамике.

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

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

Заслуживает внимания философский труд Ампера «Опыт философии наук, или аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний» (1834 г.). В наше время издано много работ, посвященных науковедению «науке о науках». Своей «Классификацией» Ампер более ста лет назад заложил основы этой важной области научных знаний.

Рассмотрим более подробно работы Ампера в области электромагнетизма.

Отметим прежде всего, что Ампером впервые были введены термин «электрический тока» и понятие о направлении электрического тока. Кстати, это он предложил считать за направление тока направление движения положительного электричества (от плюса к минусу во внешней цепи).

Наблюдая отклонение магнитной стрелки под влиянием протекающего по проводнику тока, Ампер сумел сформулировать правило, позволяющее определить направление отклонения стрелки в зависимости от направления тока в проводнике. Это правило было в то время широко известно под названием «правила пловца» и формулировалось оно следующим образом: «Если мысленно расположиться человеку так, чтобы ток проходил по направлению от ног наблюдателя к голове и чтобы лицо его было обращено к магнитной стрелке, то под влиянием тока северный полюс магнитной стрелки всегда будет отклоняться влево».

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

Открыв взаимодействие круговых токов, Ампер начал исследование линейных токов. С этой целью он построил так называемый «станок Ампера» (рис. 3.12), в котором один проводник мог изменять положение относительно другого проводника. В ходе этих опытов было установлено, что два линейных тока притягивают или отталкивают друг Друга в зависимости от того, имеют ли токи одинаковое направление или различное. Серия этих опытов позволила Амперу установить закон взаимодействий линейных токов: два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются, между тем как два параллельных и противоположно направленных тока взаимно отталкиваются. Обнаруженные явления Ампер предложил назвать «электродинамическими в отличие от электростатических явлений.

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

Электродинамическая теория Ампера изложена им в сочинении «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», изданном в Париже в 1826—1827 гг. Ампером было выведено известное математическое выражение закона взаимодействия между двумя элементами тока.

Опираясь иа труды предшественников, а также на важные результаты своих исследований, Ампер пришел к принципиально новому выводу о причине явлений магнетизма. Отрицая существование особых магнитных жидкостей, Ампер утверждал, что магнитное поле имеет электрическое происхождение. Все магнитные явления сводились им к «чисто электрическим действиям». Основываясь на тождестве действия круговых токов и магнитов, Ампер пришел к выводу о том, что магнетизм какой-либо частицы обусловлен наличием круговых токов в этой частице, а свойства магнита в целом обусловлены электрическими токами, расположенными в плоскостях, перпендикулярных к его оси. Ампер подчеркивал, что «... эти токи

вокруг оси магнита реально существуют, или, скорее, что намагничивание является операцией, посредством которой частицам стало сообщаться свойство возбуждать для этих токов такое же электродвижущее действие, какое имеется в вольтовом столбе... Магнитные явления вызываются исключительно электричеством ... нет никакой разницы между двумя полюсами магнита, как их положение относительно токов, из которых этот магнит состоит». Разработанная Ампером гипотезамолекулярных круговых токов явилась новым прогрессивным шагом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений.

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

Значение работ Ампера для науки было весьма велико. Своими исследованиями Ампер доказал единство электричества и магнетизма и убедительно опроверг царившие до него представления о магнитной жидкости. Установленные им законы механического взаимодействия электрических токов принадлежат к числу крупнейших открытий в области электричества.

Выдающийся вклад Ампера получил высочайшую оценку (в 1881 г.). Первый Международный конгресс электриков присвоил единице силы тока наименование «Ампер». Его заслуженно называли «Ньютоном электричества». Он был членом Парижской Академии наук (с 1814 г.), и многих других Академий мира, в том числе и Петербургской (с 1830 г.).

3.6. Открытие термоэлектричества. Установление законов электрической цепи

Дальнейшее изучение явлений электричества и магнетизма привело к открытию новых фактов. В 1821 г. профессор Берлинского университета Томас Иоганн Зеебек (1770—1831 гг.), занимаясь исследованием возможности получения электрического тока посредством двух разнородных металлов без участия какой-либо жидкости, открыл новое явление, заключавшееся в следующем.

К висмутовой пластине 1-2 (Рис. 3.13) была припаяна медная пластинка 3. Внутри образовавшегося контура помещалась магнитная стрелка SN. При подогреванииодного из спаев магнитная стрелка отклонялась, что указывало на прохождение по контуру электрического тока, Так, например, если прибор установлен в направление плоского и магнитного меридиана, о при нагревании спая 2 северный полюс магнитной стрелки отклоняется на восток. Это отклонение показывает, что в металлах идет ток, имеющий направление над стрелкой справа налево, а под нею — слева направо.

Если вместо нагревания спая 2 охлаждать спай 1, то в контуре возникнет ток такого же направления, как и в предыдущем случае. Зеебек правильно установил, что причина появления электрического тока в этих опытах связана с теплотой, сообщаемой спаю или отнимаемой от него, и назвал обнаруженное явление «термомагнетизмом» (позднее этот термин был заменен на «термоэлектричество») .

Фундаментальное исследование направления термоэлектрического тока осуществил французский ученый Антуан Сезан Беккерель (1788—1878 гг.). Ему удалось расположить металлы в термоэлектрический ряд, в котором каждый предыдущий металл дает ток через нагретый спай к каждому последующему. Беккерель показал, что термоэлектрический ток может возникнуть не только при употреблении разнородных металлов, но и при условии различия в структуре или плотности проводника с одной и другой стороны от нагреваемого места.

В течение длительного времени термоэлементы вследствие их крайней неэкономичности, как правило, применялись только для измерения температур. Как известно, благодаря успехам современной науки и техники в области полупроводников созданы предпосылки для разработки более экономичных термоэлементов.

В 1834 г. французским ученым Жаном Ш. А. Пельтье (1785—1845 гг.) было обнаружено более широкое проявление термоэлектрических действий и их обратимость. При прохождении электрического тока через спай двух различных металлов имеет место выделение или поглощение тепла в зависимости от направления тока. В 1838 г. явление Пельтье было изучено в Петербурге академиком Э. X. Денцем, который, пользуясь этим методом, заморозил воду, окружавшую место спая. Позднее были созданы специальные устройства — термопары, применяемые для измерения температур, лучистой энергии и др.

Открытие явления термоэлектричества явилось существенным вкладом в науку и сыграло свою роль в подготовке к открытию закона сохранения и превращения энергии.

По мере углубления исследований электрического тока подготавливаются условия для перехода от качественных наблюдений явлений в электрической цепи к установлению некоторых количественных соотношений.

Как уже отмечалось, еще В. В. Петров в начале XIX в. указал на связь между сечением проводника и протекающим по нему током. В 1821 г. X. Дэви установил, что проводимость проводника зависит от материала и температуры. Он также пришел к выводу о зависимости проводимости от площади сечения проводника. Более глубоко эти явления были исследованы немецким физиком Георгом Симоном Омом (1789—1854 гг.).

Первый этап исследований, начатых Омом в 1821 г., когда он работал преподавателем математики и физики в Кельне, относился к изучению проводимости различных проводников. Сила тока измерялась по его магнитному действию: для этих целей он соорудил прибор, подобный крутильным весам Кулона (см. гл. 2), но вместо бузиновых шариков над проводником была подвешена магнитная стрелка. По углу кручения нити можно было судить о токе действующем на стрелку. Располагая проводник в направлении магнитного меридиана, Ом установил постоянство Угла кручения нити, что подтверждало постоянство тока на различных участках цепи. Ему удалось определить проводимость Проволок из различных материалов и доказать влияние температуры на проводимость проводников.

Во время проведения опытов Ому пришлось преодолеть немало трудностей: электродвижущая сила гальванических элементов заметно снижалась в процессе их эксплуатации; механизм работы источников питания был не известен; общепринятых методов определения электропроводности проводников не существовало: в научную практику не были введены величины, характеризующие процесс протекания тока в цени, не было приборов для измерения этих величии. Нужно было разработать не только методику проведения экспериментов, но и создать соответствующие приборы, обеспечить большую точности измерений. Все это потребовало от Ома незаурядного мастерства, упорства и находчивости. Ему пришлось отказаться от гальванических батарей и заменить их термоэлементом, изготовить несколько конструкций мультипликаторов.

На основе многочисленных экспериментов Ому удается вывести формулу, связывающую «силу магнитного действия проводника» (то есть ток) с электровозбуждающей силон источника и сопротивлением цепи — это уже был закон электрической цепи. Продолжая совершенствовать измерительную установку, Ом разрабатывает оригинальные теоретические положения, характеризующие процессы в электрических цепях. С этой целью он внимательно изучает теоретические исследования в области теплопроводности и гидравлики и впервые проводит аналогию между движением электричества и тепловым или водяным потоками, при этом разность потенциалов играет роль падения температур или разности уровней воды в трубах.

Б 1827 г. выходит в свет его фундаментальный труд «Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Омом» (Он так же известен под названием «Теоретические исследования электрических цепей». Закон, носящий его имя, Ом сформулировал следующим образом «Величина тока в гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме приведенных длин» (под «приведенными длинами» подразумевается сопротивление внешней части цепи).

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

Однако после подтверждения правильности закона Ома такими известными электротехниками, как петербургские академики Э. X. Ленц и Б. С. Якоби, а также присуждения Ому Золотой медали Лондонским Королевским обществом (1842 г.), его труд по праву получил всеобщее признание. Он явился фундаментом теоретической электротехники и сохранил свое значение до наших дней. На первом Международном конгрессе электриков единица сопротивления была названа «Ом».

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

В 1845 г., когда Кирхгофу было всего 21 год, он написал работу «О протекании электрического тока через плоскую пластину, например, круглой формы». В примечании к этой работе были сформулированы два закона Кирхгофа, являющиеся фундаментальными законами теоретической электротехники, которые еще при жизни Кирхгофа вошли во все учебники физики и широко применяются электротехниками всего мира. В последующих трудах Кирхгофа были рассмотрены электрические токи в проводящих средах, исследованы количественные соотношения, связанные с явлением электромагнитной индукции и изучением переходных процессов. Кирхгоф проявил себя и как блестящий исследователь и экспериментатор в различных областях физики (механики, оптики, теории излучения). Его философские воззрения базировались на материалистической основе, Г. Р. Кирхгоф был членом Берлинской Академии и членом-корреспондентом Петербургской Академии наук (с 1862 г.).

ГЛАВА 4 ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ. «ПИОНЕРСКИЙ» ПЕРИОД ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

4.1. Открытие электромагнитной индукции

Истоки современной электротехники восходят к замечательным трудам английского ученого Майкла Фарадея, которые, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами по изучению электрических и магнитных явлений.

Есть нечто символическое в том, что в год рождения Фарадея (1791 г.) был опубликован трактат Луиджи Гальвани с первым описанием нового физического явления — электрического тока, а в год его смерти (1867 г.) была изобретена «динамомашина» — самовозбуждающийся генератор постоянного тока, т.е. появился надежный, экономичный и удобный в эксплуатации источник электрической энергии. Жизнь великого ученого и его неповторимая по своим методам, содержанию и значению деятельность не только открыли новую главу физики, но и сыграли решающую роль в рождении новых отраслей техники: электротехники и радиотехники.

Вот уже более ста лет многие поколения учащейся молодежи на уроках физики и из многочисленных книг узнают историю замечательной жизни сына английского кузнеца, разносчика газет и переплетчика в юности и самого знаменитого ученого, члена 68 научных обществ и академий в его зрелые годы. Обычно имя Майкла Фарадея связывают с самым значительным и потому наиболее известным открытием — явлением электромагнитной индукции, сделанным им в 1831 г. Но еще за год до этого, в 1830 г., за исследования в области химии и электромагнетизма Фарадей был избран почетным членом Петербургской Академии наук, членом же Лондонского Королевского общества (Британской Академии наук) он был избран еще в 1824 г. Начиная с 1816 г., когда увидела свет первая научная работа Фарадея, посвященная химическому анализу тосканской извести,' по 1831 г., когда стал публиковаться знаменитый научный дне»' ник «Экспериментальные исследования но электричеству», Фарадеем было опубликовано свыше 60 научных трудов.

Огромное трудолюбие, жажда знаний, прирожденный ум и наблюдательность позволили Фарадею достичь выдающихся результатов во всех тех областях научных исследований, к которым обращался ученый. Признанный «король экспериментаторов» любил повторять: «Искусство экспериментатора состоит в том, чтобы уметь задавать природе вопросы и понимать ее ответы».

Каждое исследование Фарадея отличалось такой обстоятельностью и настолько согласовывалось с предыдущими результатами, что среди современников почти не находилось критиков его работ. Любопытно свидетельство автора «Экспериментальных исследований по электричеству», содержащееся в предисловии к первому тому: «Да будет мне позволено выразить мое глубокое удовлетворение тем, что различные части, написанные с перерывами на протяжении 7 лет, оказались столь согласующимися друг с другом. В этом не было бы ничего особенного, если бы факты, к которым эти части имеют отношение, были хорошо известны до написания каждой из них; но так как каждая часть претендует на то, что содержит какие-либо оригинальные открытия или исправление общепринятых взглядов, то даже я, при всем моем возможном пристрастии, удивлен тем, в какой степени они, на мой взгляд, оказываются взаимно согласующимися и вообще точными».

Если исключить из рассмотрения химические исследования Фарадея, которые в своей области также составили эпоху (достаточно вспомнить об опытах сжижения газов, об открытии бензола, бутилена), то все прочие его работы, на первый взгляд иногда разрозненные, как мазки на полотне художника, взятые вместе5 образуют изумительную картину всестороннего исследования двух проблем: взаимопревращений различных форм энергии и физического содержания среды.

Работам Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Ампера, Био, Савара, проведенных 182Q г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендикулярно проводнику. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника с током? Опыт подтвердил гипотезу. В 1821 г. Фарадей дал описание физического прибора, схематически представленного на рис. 4.1. В левом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника.

В правом сосуде стержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Поскольку в этом опыте впервые фигурирует магнитоэлектрическое устройство с непрерывным движением, то вполне правомерно начать именно с этого устройства историю электрических машин вообще и электродвигателя, в частности. Обратим также внимание на ртутный контакт, нашедший впоследствии применение в электромеханике.

Именно с этого момента, судя по всему, у Фарадея начинают складываться представления о всеобщей «взаимопреврашаемости сил». Получив при помощи электромагнетизма непрерывное механическое движение, он ставит перед собой задачу обратить явление или, по терминологии Фарадея, превратить магнетизм в электричество.

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

В качестве примера, характеризующего ход мыслей ученого и формирование его представлений об электромагнитном поле, рассмотрим исследование Фарадеем явления, получившего тогда название «магнетизма вращения». За много лет до работ Фарадея мореплаватели замечали тормозящее влияние медного корпуса компаса на колебания магнитной стрелки. Как уже отмечалось (см. параграф 3.5), в 1824 г. Араго описал явление «магнетизма вращения», удовлетворительно объяснить которое ни он, ни другие физики не могли. Сущность явления состояла в следующем (рис. 4.2). Подковообразный магнит мог вращаться вокруг вертикальной оси, а над его полюсами находился алюминиевый диск, который также мог вращаться на оси, совпадающей по направлению с осью вращения магнита. В состоянии покоя никаких взаимодействий между диском и Магнитом не наблюдалось. Но стоило начать вращать магнит, как диск устремлялся вслед за ним и наоборот. Чтобы исключить возможность увлечения диска потоками воздуха, магнит и диск были разделены стеклом.

Открытие электромагнитной индукции помогло Фарадею объяснить явление Араго и уже в самом начале исследования записать: «Я надеялся сделать из опыта г-на Араго новый источник электричества.»

Открытие электромагнитной индукции — это яркий пример для иллюстрации диалектической и материалистической оценки случайного и неизбежного в науке, в научном поиске, в изобретательстве, Фарадей, убежденный сторонник утверждавшегося тогда взгляда на взаимные превращения сил (термин энергия появился позднее), был уверен в том, что если электрический ток создает, магнетизм и механические движения, то и сам ток может быть получен «от магнетизма». Десять лет изо дня в день он ставил сотни и сотни опытов. Вот, например, в записной книжке Фарадея имеется такая запись, датированная 28 ноября 1825 года: «Опыты над индукцией путем замыкающего провода вольтовой батареи»: «батарея из четырех банок ..., полюсы соединены проводом около 4 футов длиной, параллельно которому идет другой такой же провод, отделенный от первого сложенным вдвое листом бумаги; концы второго провода прикреплены к гальванометру, действия не наблюдались...»

Как просто нам сейчас увидеть, чего недоставало в этом опыте! Но в то время понадобились еще годы труда н. экспериментаторский гений Фарадея, чтобы обнаружить появление индуктированного тока.

Любой из множества опытов Фарадея, к которым ученый шел тернистой, порой мучительной и долгой тропой первооткрывателя, в наше время легко воспроизводится в школьном физическом кабинете. Однако известно, что исторические заслуга оценивают в зависимости от того, что ученый внес нового по сравнению со своими предшественниками. Конечно, сам августовский опыт Фарадея носил элементы случайности: наблюдение тока во вторичной цепи именно в момент замыкания (или размыкания) первичной цепи. Более того, опыт был настолько прост, что даже признанный великий физик не избежал борьбы за приоритет: многим тогда казалось, что они экспериментировали с такими же схемами, и только случай не позволил им сделать главного наблюдения. Однако случай чаще всего идет навстречу тому, кто его упорно ищет: вся предшествующая десятилетняя работа Фарадея подготовила этот «случай». Известно также, что само открытие обычно происходит тогда, когда все необходимые для него научно-технические предпосылки уже существуют. Одновременно с Фарадеем электромагнитную индукцию наблюдал американский физик Джозеф Генри (1797—1878 гг.). Нетрудно себе представить переживания ученого, будущего президента американской Национальной Академии наук, когда он, собираясь опубликовать свои наблюдения, узнал о публикации Фарадея. Год спустя Генри открыл явление самоиндукции и экстратоки, а также установил зависимость индуктивности цепи от свойств материала и конфигурации сердечников катушек. В 1838 г. Генри изучал «токи высшего порядка», т.е. токи, индуцированные другими индуцированными токами. В 1842 г. продолжение этих исследований привело Генри к открытию колебательного характера разряда конденсатора (позднее, в 1847 г., это открытие повторил Г. Гельмгольц).

Обратимся к главным опытам фарадея. Первая серия опытов закончилась экспериментом, демонстрировавшим явление «вольта- Электрической» (по терминологии Фарадея) индукции (рис. 4.3 а-г). Обнаружив возникновение тока во вторичной цепи 2 при замыкании или размыкании первичной J, Фарадей поставил эксперимент для выяснения свойств индуктированного тока: внутрь спирали б, включенной во вторичную цепь, помещалась стальная игла 8 (рис. 4.3 б), которая намагничивалась индуктированным током. Результат говорил о том, что индуктированный ток подобен току, получаемому непосредственно от гальванической батареи J.

Заменяя деревянный или картонный барабан 4, на который наматывались первичная и вторичная обмотки," стальным кольцом (рис. 4.3 г), Фарадей обнаружил более интенсивное отклонение стрелки гальванометра 5. Данный опыт указывал на существенную роль среды в электромагнитных процессах. Здесь Фарадей впервые применяет устройство, которое можно назвать прототипом трансформатора.

Вторая серия опытов иллюстрировала явление электромагнит- вой индукции, возникавшее при отсутствии источника напряжения в первичной цепи. Исходя из того, что катушка, обтекаемая током, идентична магниту, Фарадей заменил источник напряжения двумя постоянными магнитами (рис. 4.3 д) и наблюдал ток во вторичной обмотке при замыкании и размыкании магнитной цепи.

Это явление он назвал «магнитоэлектрической индукцией»; позднее им было отмечено, что никакой принципиальной разницы между «вольта-электрической» и «магнитоэлектрической» индукцией нет. Впоследствии оба эти явления были объединены термином «электромагнитная индукция». Один из заключительных экспериментов (рис. 4.3 е, ж) демонстрировал появление индуктированного тока при движении постоянного магнита или катушки с током внутри соленоида. Именно этот опыт нагляднее других продемонстрировал возможность превращения «магнетизма в электричество» или, точнее выражаясь, механической энергии в электрическую.

На основе новых представлений Фарадей и дал объяснение физической стороне опыта с диском Араго. Кратко ход его рассуждений можно изложить следующим образом. Алюминиевый (или любой другой проводящий, но немагнитный) диск можно представить себе в виде колеса с бесконечно большим числом спиц — радиальных проводников. При относительном движении магнита и диска эти спицы — проводники «перерезают магнитные кривые» (терминология Фарадея), и в проводниках возникает индуктированный ток. Взаимодействие же тока с магнитом было уже известно. В объяснении Фарадея обращает на себя внимание терминология и способ объяснения явления. Для определения направления индуктированного тока он вводит правило ножа, перерезающего силовые линии. Это еще не закон Ленца, для которого свойственна универсальность характеристики явления, а только попытки каждый раз путем подробных описаний установить, будет ли ток протекать от рукоятки к кончику лезвия или наоборот. Но здесь важна принципиальная картина: Фарадей, в противовес сторонникам теории дальнодействия, заполняет пространство, в котором действуют различные силы, материальной средой, эфиром, развивая эфирную теорию Эйлера, находившегося в свою очередь под влиянием идей Ломоносова.

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

Прошло 160 лет, а мы до сих пор не нашли более наглядного способа и схемы объяснения явлений, связанных с индукцией ц электромеханическими действиями, чем знаменитая концепция фарадеевских линий, которые и поныне нам представляются вещественно ощутимыми.

Из диска Араго Фарадей действительно сделал новый источник электричества. Заставив вращаться алюминиевый или медный диск между полюсами магнита, Фарадей наложил на ось диска и на его периферию щетки. Таким образом, была сконструирована электрическая машина, полнившая поз- дне« наименование униполярного генератора (рис. 4.4).

" Для характеристики взглядов Фарадея достаточно привести только названия некоторых из статей: «Опыт истории электромагнетизма» (1821—-1822 гг.), «Об индукции электрических токов» (1831 г.), «Идентичность электричеств, получаемых из различных источников» (1833 г.), «Количественное соотношение между обыкновенным н вольтовым электричествами» (1833 г.), «Об электрохимическом разложении» (1834 г.), «Невероятность гипотезы контактной силы» (1839 г.), «О магнетизации света и об освещении магнитных силовых линий» (1845 г.), «О возможной связи тяготения и электричества» (1850 г.), «О соотношении физических сил» (1859 г.). Даже в этом далеко не полном перечне работ Фарадея отчетливо проявляется генеральная идея, которая разрабатывалась великим ученым всю его творческую жизнь. Читая Фарадея, трудно отделаться от впечатления, что он занимался только одной проблемой взаимопревращений различных форм энергии, а все его открытия свершались между делом и служили лишь целям иллюстрация главной идеи. Он исследует различные виды электричества (животное, гальваническое, статическое, «магнитное», термоэлектричество) и, доказывая их качественную тождественность, открывает закон электролиза. При этом электролиз, как и вздрагивание мышц препарированной лягушки, служил первоначально лишь доказательством того, что все виды электричеств проявляются в одинаковых действиях.

Исследования статического электричества и явления электростатической индукции привели Фарадея к формированию представлений о диэлектриках, к окончательному разрыву с теорией дальнодействия, к замечательным исследованиям разряда в газах (открытие фарадеева темного пространства). Дальнейшее исследование взаимодействий и взаимопревращения «сил» привели его к открытию магнитного вращения плоскости поляризации света, к открытию диамагнетизма и парамагнетизма. Убежденность во всеобщности взаимопревращений заставила Фарадея даже обратиться к исследованию связи между магнетизмом и электричеством, с одной стороны, и силой тяжести, с другой. Правда, остроумные опыты. Фарадея не дали положительного результата, но это не поколебало его уверенности в наличии связи между этими явлениями.

Биографы Фарадея любят подчеркивать тот факт, что Фарадей избегал пользоваться математикой, что на многих сотнях страниц его «Экспериментальных исследований по электричеству» нет ни одной математической формулы. В связн с этим уместно привести высказывание соотечественника Фарадея, великого физика Джемса Кларка Максвелла (1831—1879 гг.): «Приступив к изучению труда Фарадея, я установил, что его метод понимания явлений был также математическим, хотя и не представленным в форме обычных математических символов. Я также нашел, что этот метод можно выразить в обычной математической форме и, таким образом, сравнить с методами профессиональных математиков...».

«Когда я переводил то, что я считал идеями Фарадея, в математическую форму, продолжал Максвелл, я нашел, что в большинстве случаев результаты обоих методов совпадали, так что ими объяснялись одни и те же явления и выводились одни и те же законы действия, но что методы Фарадея походили на те, при которых начинаем с целого и приходим к частному путем анализа, в to время как обычные математические методы были основаны на Принципе «движения от частностей и построения целого путем синтеза».

«Математичность» мышления Фарадея можно иллюстрировать его законами электролиза или, например, формулировкой закона электромагнитной индукции: «количество приведенного в движение электричества прямо пропорционально числу пересеченных силовых линий». Достаточно представить себе последнюю формулировку в виде математических символов, и мы немедленно палучаем формулу, из которой очень быстро следует знаменитое dty/dt.

Д. К. Максвелл, родившийся в год открытия явления электромагнитной индукции, очень скромно оценивал свои заслуги перед наукой, подчеркивая, что он лишь развил и облек в математическую форму идеи Фарадея. Максвеллову теорию электромагнитного поля по достоинству оценили ученые конца прошлого в начале нынешнего веков, когда на почве идей Фарадея — Максвелла начала развиваться радиотехника.

Для характеристики прозорливости Фарадея, его умения мысленным взором проникать в глубь сложнейших физических явлений важно напомнить здесь то, что еще в 1832 г. гениальный ученый рискнул предположить, что электромагнитные процессы носят волновой характер, причем «магнитные колебания» и электрическая индукция распространяются с конечной скоростью.

В конце 1938 г. в архивах Лондонского Королевского общества было обнаружено запечатанное письмо М. Фарадея, датированное 12 марта 1832 г. Оно пролежало в безвестности более ста лет, а в нем были такие строки:

«Некоторые результаты исследований ... привели меня к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время, т.е. при воздействии одного магнита на другой отдаленный магнит или кусок железа влияющая причина (которую я позволю себе назвать магнетизмом) распространяется от магнитных тел постепенно и для своего распространения требует определенного времени, которое, очевидно, окажется весьма незначительным.

Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебания взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха, т.е. я намерен приложить теорию колебанийк магнитным явлениям, как это сделано по отношению к звуку и является наиболее вероятным объяснением световых делений.

По аналогии я считаю возможным применять теорию колебаний к распространению электрической индукции. Эти воззрения я хочу проверить экспериментально, но так как мое время занято исполнением служебных обязанностей, что может вызвать продление опытов ... я хочу, передавая это письмо на хранение Королевскому обществу, закрепить открытие за собой определенной датой..."

Поскольку эти идеи Фарадея оставались неизвестными, нет никаких оснований отказывать великому его соотечественнику Максвеллу в открытии этих же идей, которым он придал строгую физико-математическую форму и фундаментальное значение.

Один из величайших ученых всех времен и народов, Фарадей был человеком исключительной скромности и высоких нравственных принципов. Ему были чужды тщеславие и заботы о материальном благополучии, он с исключительной сердечностью относился к простым людям и представителям того класса, выходцем из которого был сам. Знаменитые фарадеевские общедоступные лекции, лекции для детей (вспомним неповторимую «Историю свечи») являлись штрихами, дополнившими цельную натуру гениального и простого человека.

В год смерти Фарадея Максвелл написал: «Мы ... рассматриваем Фарадея как наиболее полезный и одновременно наиболее благородный тип ученого. Тот факт, что Фарадей существовал, делает более великой и сильной всю нацию, и нация была бы ещё более великой и сильной, если бы среди нас было бы больше Фарадеев». Признаем, что в этих фразах Максвелла можно усмотреть приуменьшение значения Фарадея: его имя делает честь и принадлежит всему человечеству.

4.2. Сначала был электродвигатель

Развитие техники знает немало сложных и острых моментов, принимавшихся как кризисы, выход из которых сопровождался "Фудными и долгими усилиями ученых, изобретателей и организаторов производства. К числу таких событий можно отнести энергетический кризис XVII—XVIII столетий, когда водяное колесо, хорошо послужившее прогрессу человечества в эпоху мануфактур, стало сдерживающим фактором дальнейшего развития капиталистического производства, ограничивая мощность и масштабы механического привода. Пришедший на смену ранней гидроэнергетике «его величество пар», перевернувший, по выражению К. Маркса, промышленное производство в XVIII в., породил мощную и быстро развивающуюся теплоэнергетику с паровыми котлами и машинами.

В начальный период развития электрических двигателей их изобретателям приходилось вступать в дискуссии по такому поводу: так как для производства электрической энергии с помощью электромашинных генераторов все равно необходим первичный паровой двигатель, то не целесообразнее ли приводить в действие станки непосредственно от парового двигателя, не теряя напрасно энергию при ее многоступенчатых преобразованиях? Аргументы в пользу индивидуального привода и транспорта электроэнергии на большие расстояния появились только в последней четверти прошлого столетия, когда назрел новый энергетический кризис, связанный с ограниченными возможностями теплового центрального двигателя. Выйти из этого кризиса позволили электрические машины, которые за несколько десятилетий совершили новый переворот в промышленном производстве.

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

Первоначально развитие электрических генераторов и электрических двигателей шло раздельными путями, что вполне соответствовало состоянию науки об электричестве и магнетизме того периода: принцип обратимости электрической машины был открыт только в 30-х годах, но его использование в широких масштабах начинается лишь с 70-х годов прошлого века. В связи с зтий представляется вполне правомерным рассматривать отдельно историю создания электродвигателя и генератора в период до 3870 г.

А поскольку единственным надежным н изученным источником электроэнергии был до середины XIX века только гальванический цемент, то естественно, первыми стали развиваться электрические машины постоянного тока.

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

Начальный период развития электродвигателя (1821 —1834 гг.) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую и начинается с описанного выше опыта Фарадея (рис. 4.1).

Возможность превращения электрической энергии в механическую показывалась и во многих других экспериментах. Так, в книге П. Барлоу «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 г., описывалось устройство, известное под названием «колеса Барлоу» и являющееся одним из исторических памятников предыстории развития электродвигателя. Колесо Барлоу представляло собой два медных зубчатых колеса, сидящих на одной оси, которые соприкасались с ванночками, наполненными ртутью, и находились между полюсами постоянных магнитов. При пропускании тока через колеса они начинали быстро вращаться (pиc. 4.5).

В качестве примера другой конструкции электродвигателя может служить прибор, описанный в 1833 г. английским ученым У. Риччи. Магнитное поле в этом двигателе создавалось постоянным неподвижным подковообразным магнитом, между полюсами которого на вертикальной оси помещался электромагнит. Взаимодействие полюсов постоянного магнита и электромагнита приводило к вращению электромагнита вокруг оси. Направление тока периодически изменялось коммутатором, который представлял собой желобок с ртутью, образующий кольцо и разделенный перегородками на две части: концы обмотки вращающегося электромагнита касались ртути. Это был прообраз будущего коллектора. Действительно, в 1836 г. двухпластинчатый коллектор в виде разрезанной вдоль медной трубки предложил английский физик, изобретатель электромагнита Вильям Стерджен (1783—1850).

Колесо Барлоу не нашло практического применения и до сих пор остается лабораторным демонстрационным прибором. Электродвигатель Риччи вследствие своей примитивной конструкции и незначительной мощности также не мог получить практического применения.

Для первого этапа развития Электродвигателя характерным примером, отражающим иное конструктивное направление, может служить прибор американского физика Дж. Генри (рис. 4.6). В 1831 г. он опубликовал статью «О качательном движении, производимом магнитным притяжением и отталкиванием», в которой описал построенную им модель электродвигателя. Под полюсами горизонтально расположенного электромагнита 3, 4 способного совершать качательное движение, вертикально устанавливались постоянные магниты 1, 2. Изменение полярности электромагнита осуществлялось за счет перемены направления тока в его обмотке, соединявшейся посредством проводников 11—14 с гальваническими элементами 5 и 6 (к электродам элементов припаяны чашечки с ртутью 7 и 8, 9 и 10).

Электродвигатель Генри интересен тем, что в этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноименных и о сталкивание одноименных магнитных полюсов для получения непрерывного движения (в данном случае — качательного). В модели, построенной самим Генри, электромагнит совершал 75 качаний в минуту. Мощность двигателей подобного типа была очень небольшой: один из таких двигателей, построенный в 1831 г., по современным опенкам имел мощность 0,044 Бт и, конечно, не мог использоваться на практике, да к сам изобретатель не придавал ему серьезною значения.

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

Второй этап раннего развития электрических двигателей (1834—1860 гг.) характеризуется преобладанием конструкций с врашательным движением явно полюсного якоря. Вращающий момент на валу у таких двигателей обычно был пульсирующим.

Наиболее характерные и существенно важные работы по конструированию электродвигателей этого рода принадлежат петербургскому профессору 5. С. Якоби.

Борис Семенович Якоби (1801—1874 гг.) принадлежит к числу иностранных ученых, которые, откликнувшись на приглашение русских университетов и Петербургской Академии наук, переехали в Россию и связали с ней всю свою творческую жизнь. Мориц Герман Якоби принял русское имя, прожил 39 лет в России, сначала в Дерпте, а затем в Петербурге.

Б. С. Якоби заинтересовался «электромагнитными вращениями» еще в пору своей деятельности в области архитектуры (он был архитектором — строителем по образованию). С начала 30-х годов прошлого столетия он все более увлекается работами в области электромагнетизма. Состоя в Петербургской Академии наук с 1839 г., в 1865 г. он был избран академиком по физике, заменив Умершего Э. X. Ленца.

В 1834 г. Б. С. Якоби послал в Парижскую Академию наук сообщение об изобретенной им «магнитной машине». Более полное описание электродвигателя Якоби было опубликовано в 1835 г.

Представляют интерес некоторые высказывания Якоби, в которых он определяет свой подход к изобретению электродвигателя. «В мае 1834 г. я построил свой первый магнитный аппарат, дающий постоянное круговое движение но я не мог сначала отрешиться от идеи получить возвратно-поступательное движение, производимое последовательным притягивающим и отталкивающим действием магнитных стержней, а затем уже превратить это возвратно-поступательное движение в постоянное круговое известным в технике способом. Мне казалось, что такой прибор будет не больше, чем забавной игрушкой для обогащения физических кабинетов... Все эти соображения... заставили меня окончательно отказаться от попытки построить аппарат, получающий возвратно-поступательное движение...»

Сомнения Якоби легко объяснимы: привычный паровой двигатель давал возвратно-поступательное движение, и, конечно, хотелось построить новый, электрический двигатель, дающий такое же «нормальное» движение. Современные работы в области линейных электродвигателей свидетельствуют о том, что сама идея поступательного движения в электрических машинах не является перечней, но техническую резолюцию совершили машины вращательного движения, Внешний вид первого двигателя Якоби показан т рис. 4.7. Этот электродвигатель работал по принципу взаимодействия двух комплектов электромагнитов» один из которых располагался на подвижной раме, другой — на неподвижной.

В качестве источника питания электромагнитов применялась батарея гальванических элементов. Для изменения полярности подвижных электромагнитов использовался коммутатор.

Коммутатор представлял собой оригинальную и глубоко продуманную часть устройства электродвигателя Якоби. Конструктивно он состоял из четырех. металлических колец 1-4, установленных на валу и изолированных от него (рис. 4.8); каждое кольцо имело четыре выреза по одной восьмой части окружности. Вырезы заполнялись тестирующими вкладками; каждое кольцу было смещено на 45 по отношению к предыдущему. По окружности кольца скользил рычаг 5, представляющий собой своеобразную щетку; второй конец рычага был погружен в соответствующий сосуд с ртутью, к которому подводились проводники от батареи. Таким образом, при каждом обороте кольца 4 раза разрывалась электрическая цепь. К электромагнитам вращающегося диска отходили от колец проводники, укрепленные на валу машины. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно и ток в них имел одно и то же направление. Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них с помощью коммутатора изменялось 8 раз за один оборот вала. Следовательно, полярность этих электромагнитов также изменялась .8 раз за один оборот вала и электромагниты поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы. На рис. 4.8 стрелками указаны направления токов для данного положена вала.

В описании машины, содержащемся в сообщении Парижской Академии наук, Б. С. Якоби, в частности, писал: «Полезная работа этого аппарата, измеренная прибором, аналогичным тормозу Прони, эквивалентна работе поднятия груза в 10—12 фунтов на высоту в один фут в секунду. Успешная работа этой машины обусловлена удачной конструкцией жиротропа или коммутатора, осуществляющего перемену полюсов восемь раз за один оборот, т.е. в 1/2 или 3/4 секунда (обычная скорость вращения машины)..,» Как видно, здесь содержатся результаты испытаний машины, подчеркивается важность новой детали — коммутатора, и приводятся цифры, позволяющие судить о характеристиках работающего двигателя. Например, пользуясь современной системой единиц, можно подсчитать мощность двигателя, составлявшую примерно 15 Вт.

Элементы новизны машины были настолько своеобразны, что Б. С. Якоби приводит сравнение ее с паровой машиной в духе, вполне созвучном той эпохе: «Механизм мотора очень несложен по сравнению с паровой машиной: нет ни цилиндра, ни поршня, ни клапанов и т.д., изготовление которых требует очень тонкой работы и стоит больших средств; нет также трения, благодаря которому теряется больше половины всей производимой работы; в этой машине потерю составляет только трение в подшипниках. Далее, машина эта дает непосредственное постоянное круговое движение... кроме того, нет опасности взрыва».

Изобретатель был увлечен идеей создания экономичного электродвигателя и не сумел избежать типичного заблуждения своего времени, заявив: «Наконец, чтобы коротко определить всю значительность новой силы, можно сказать: в электрической машине скорость не стоит денег». Но не следует строго осуждать ученого за эту фразу: закон сохранения и превращения энергии в полном его понимании еще не был известен, соответствующие работы Майера, Джоуля и Гельмшлыдэ были еще впереди (40-е годы прошлого столетия). Б. С, Якоби пришлось затратить еще несколько лет труда и проявить редкую изобретательность, чтобы осуществить хотя бы скромных масштабах свое желание «посвятить все свое время и всю свою энергию этому делу именно теперь, когда не остается больше никаких сомнений в успехе задуманного, и не только для того, чтобы не отказываться от своих прежних трудов, но и для того чтобы мое новое отечество, с которым я уже связан многими узами, не лишилось возможности сказать, что Нева раньше Темзы ли Тибра покрылась судами с магнитными двигателями». Эти слова он написал в записке министру просвещения и президенту Академии наук, прося у него материальной помощи для экспериментов. Широкой поддержки у министра Якоби не нашел, но тем не менее четыре года спустя, в 1838 г. по Неве двигался бот, вмещавший 12 пассажиров и приводимый в движение электродвигателем Якоби.

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

В 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил электродвигатель с непосредственным вращением якоря, в котором взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными постоянными магнитами. Электродвигатель Девенпорта (рис. 4.9) имел четыре подвижных горизонтальных крестообразно расположенных электромагнита 1—4, укрепленных на деревянном диске, Жестко связанном с перекальным валом. Эти электромагниты были расположены внутри двух постоянныхмагнитов в форме полуокружностей 5, 6, опирающихся на деревянное кольцо. Магниты соприкасались одноименными по. люсами и создавали кольцо с двумя полюсами N и S. На особой подставке были расположены медные пластины 5, 7, разделенные посередине изоляцией. К ним подводился ток от источника питания. Концы последовательной обмотки каждой пары электромагнитов имели пружинящие контакты 9—12. Полярность электромагнитов в соответствующие моменты изменялась коммутатором.

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

В 1837 г. в распоряжение Якоби был предоставлен бот, вмещающий 12 пассажиров и рассчитанный на 10 гребцов, на котором предполагалось установить электродвигатель и произвести затем соответствующие испытания и Технико-экономические подсчеты. В процессе совершенствования двигателя Якоби пошел по пути конструктивного объединения на общем вертикальном валу нескольких электродвигателей в один агрегат, расположив неподвижные и вращающиеся магниты в одной плоскости. При этом увеличивались размеры электродвигателя в вертикальном направлении, что было вполне удобно для опытной судовой установки.

Двигатель Якоби конструкции 1838 г. представлял собой комбинацию 40 небольших электродвигателей (рис. 4.10), объединенных по 20 шт. на двух вертикальных валах, установленных в деревянной станине.

Для питания током обмоток электромагнитов на «электрическом боте» были установлены гальванические элементы. Изменение направления тока в обмотках подвижных электромагнитов осуществлялось коммутаторами, аналогичными описанным выше.

Вращение с вертикальных валов с помощью конических шестерен передавалось на горизонтальный, на котором укреплялись гребные колеса, расположение по обоим бортам «электрического бота».

Отсутствие экономичного, менее громоздкого источника электроэнергии не могло не сдерживать энтузиазма современников. Тем не менее первый успех был налицо, и одна из петербургских газет писала в 1839 г.: «... катер с двенадцатью человеками, движимый электромеханической силой (в 3/4 лошади), ходил несколько часов против течения, при сильном противном ветре... Что бы ни было впоследствии, важный шаг уже сделан, и России принадлежит слава первого применения теории к практике».

Испытания показали возможность практического применения электродвигателей, но в то же время обнаружили, что при питании в током от гальванических батарей механическая энергия получается чрезмерно дорогой. Немецкий академик Вилы подсчитал в 1876 г., что одна лошадиная сила в двигателе Якоби обходилась в 12 раз дороже, чем в случае паровой машины. Необходимо отметить, что для преодоления основного недостатка гальванических батарей — малой энергоемкости — требовалось использовать очень много элементов, а это требование для многих транспортных установок было неприемлемым. Так, например, на боте Якоби вначале было установлено 320 гальваничсских элементов. Произведенные опыты, а также теоретическое исследование привели Якоби к очень важному для практики выводу: применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электроэнергии, то есть от создания генератора.. более экономичного, чем гальванические батареи.

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

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

Некоторые из электродвигателей, построенные в 40—60-х годах XIX в., действовали на принципе втягивания стального сердечника в соленоид. Получавшееся при этом возвратно-поступательное движение преобразовывалось посредством балансира или шатуннo-кривошипного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами, например, электродвигатель Бурбуза (рис. 4.11). Как видно из конструкции электродвигателя, мысль его изобретателя находилась в плену кинематических схем паровых машин, в которых возвратно-поступательное движение штока поршня преобразовывалось во вращательное движение вала посредством балансира, кривошипно-шатунного механизма и т.п.

Как например электродвигателя, обладавшего признаками, характерными для первого этапа и получившего известность, можно указать на конструкцию французского механика и оптика Поля Густава Фромана, Этот двигатель работал на принципе притяжения железных пластин электромагнитами, направление тока в обмотках которых изменялось коммутатором. В статье д. А. Лачинова «Электромеханическая работа», публикация которой началась в первом номере первого русского электротехнического журнала «Электричество» (1880 г.), приводятся следующие данные о двигателе Фромана, демонстрировавшемся на Всемирной выставке в Париже в 1867 г.: мощность — 1 л.с., масса — 47 пудов (769 кг) и КПД — 22%. Для сравнения укажем, что современный электродвигатель постоянного тока соответствующей мощности весит примерно в 13 раз меньше.

Новый, третий этап в развитии электродвигателей постоянного тока, связан с разработкой конструкций, содержащих непрерывную обмотку на якоре. Конструктивно якорь выполнялся сначала в виде кольца или полого цилиндра с обмоткой кольцевого типа, когда провод при намотке пропускался через внутреннюю полость, затем стали выполнять цилиндрические сердечники с обмоткой барабанного типа, когда провод размещался только на наружных поверхностях сердечника. В обоих случаях линии магнитного потока входили в сердечник якоря перпендикулярно поверхности цилиндра, а не в торец, как при стержневом якоре.

Первым конструкцию кольцевого якоря предложил в 1860 г. студент (впоследствии профессор) Пизанского университета Антонио Пачинотти (1841—1912 гг.).

Электродвигатель Пачинотти состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов (рис. 4.12). Якорь, имеющий форму стального кольца с зубцами (наличие зубцов уменьшало магнитное сопротивление и облегчало крепление обмотки) и латунными спицами, укреплялся на вертикальном валу. На кольце между зубцами якоря наматывались катушки, концы которых подводились к пластинам коллектора, расположенного на нижней части вала. Подвод тока к пластинам коллектора осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов, снабженных полюсным» наконечниками, включалась последовательно с обмоткой якоря, т.е. согласно современной терминологии, машина имела последовательное возбуждение.

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

А вот как сам изобретатель оценивал достоинства своей машины (опубликовано в 1863 г.): «В принятом расположении ток не перестает циркулировать в обмотках, и машина двигается не толчками, которые следуют друг за другом более или менее часто, но парой сил, которая действует непрерывно... Кольцеобразная конструкция якоря способствует... наименьшей затрате живой силы на толчки и трение... Выступающие наконечники неподвижного электромагнита, продолжая действовать на зубцы магнитного колеса и охватывая очень большое их число, не останавливают своего действия пока в них остается магнетизм... Искры увеличиваются в числе, но очень уменьшаются в интенсивности, так как отсутствуют сильные экстра-токи при открытии цепи, которая может быть всегда закрытой, и только когда машина действует, индуктивный ток продолжается в направлении, противоположном направлению тока батареи». Далее он говорит о том, что эта машина может быть превращена в генератор, если заменить электромагниты, возбуждающие папе, на постоянные магниты.

Из приведенных рассуждений изобретателя следует, что он достаточно отчетливо понимал физические процессы в электродвигателе и пришел к мысли об обратимости электрической машины, но не знал еще принципа самовозбуждения, почему и считал нужным при обращении двигателя и генератор заменить электромагниты постоянными магнитами.

В 1863 г. Пачинотти опубликовал сведении о конструкции своего электродвигателя, но на эту публикацию не было обращено достаточно внимании, к изобретение было на время забыто. Несмотря на большой интерес с принципиальной точки., зрения, двигатель не получил распространения, так как по-прежнему отсутствовал экономичный генератор электрической энергии. Идеи кольцевого якоря была возрождена примерно через 10 лет 3. Т. Граммом в конструкции электромашинного генератора.

Особо следует остановиться на открытии принципа обратимости электрических машин. Сама логика исследований Б. С. Якоби, относящихся к его электродвигателю, должна была подтолкнуть его в самом начале 30-х годов прошлого века к этому открытию. И еще не зная, вероятно, о работах своего выдающегося современника и будущего друга академика Петербургской Акатемни наук Э. X. Ленца, в мемуарах 1835 г. Якоби писал: «Будучи приведенной во вращение магнетизирующей силой гальванического тока, машина эта является одновременно аппаратом, состоящим из перемещающихся магнитов и способных производить магнитоэлектрический ток в направлении, противоположном гальваническому току». Однако право первооткрывателя важнейшего принципа электрической машины, принципа обратимости, бесспорно принадлежит Эмилию Хрнстшшанпчу Ленцу (1804—1865 гг.). В докладе Петербургской Академии наук, сделанном 29 ноября 1833 г. и опубликованном в известнейшем в то время журнале «Poggendorff's Annalen» в 1834 г., этот принцип представляется в виде следствия из сформулированного здесь же закона, обессмертившего имя великого физика — закона Ленца. Более четко принцип обратимости был еще раз сформулирован Э. X. Ленцем в статье «О некоторых опытах из области гальванизма», где было записано: «Каждый электромагнитный опыт может быть обращен таким образом, что он приведет к соответствующему магнитоэлектрическому опыту. Для этого нужно только сообщить проводчику гальванического тока каким-либо иным способом то Движение, которое он совершает в случае электромагнитного опыта, и тогда в нем возникает ток направления, противоположного направлению тока в электромагнитном опыте».

4.3. Электрогенераторы развивались отдельным путем

В начале развития электрических машин большое внимание было уделено электродвигателям, что объяснялось тем простым обстоятельством, что источники электроэнергии — гальванические элементы существовали и широко использовались. Но достаточно скоро, в частности в работах Б. С. Якоби, зазвучали критические ноты относительно электрохимических источников. «Я хочу отметить, — докладывал Б. С. Якоби Академии наук в 1842 г.,— что известные условия создали при проведении этой работы такие исключительно тяжелые осложнения, что под конец они стали почти непреодолимыми, особенно вследствие размеров машин... гальванические батареи не следует устанавливать для электромагнитных машин... Но на одном пункте необходимо стоять твердо и неуклонно — я имею в виду дальнейшее развитие науки. Дайте нам только время...»

Как видим, громоздкие и малоэффективные гальванические батареи сводили на нет усилия по конструированию и изготовлению электродвигателей. Сын знаменитого изобретателя паровоза Роберт Стефенсон подсчитал в 1862 г., что энергия гальванического электричества стоила в два раза дороже ручной работы. Назрела необходимость в создании более экономичного и мощного источника электрической энергии.

Однако несколько слов следует предварительно сказать и об электрохимических источниках.

Простейшими гальваническими элементами были элементы с одной жидкостью. К числу таких элементов принадлежали вольтов столб и его видоизменения. Но вследствие явления поляризации действие таких батарей быстро ослаблялось, кроме того, они были неудобны в эксплуатации. В 1829 г. А. С. Беккерель (открывший явление поляризации) создал более совершенную конструкцию элемента с двумя жидкостями. В 1836 г. Даниэль создал элемент с деполяризатором, который был назван постоянным элементом.

Принципиальная возможность аккумулирования электрической энергии была установлена еще в начале XIX в., но только в 1854 г. немецкий ученый В. Зинстеден открыл способ аккумулирования. В 1859 г. француз Г. Планте, по-видимому, независимо от Зянстендена наблюдал то же явление и на его основе построил свинцовый аккумулятор.

Несмотря на то что электрохимические источники получили до 70-х годов прошлого века значительное распространение, проблема экономичного источника электрической энергии была решена только созданием совершенной конструкции электромашинного генератора.

Развитие электрических машин наглядно иллюстрирует характерную закономерность в развитии техники вообще. Эта закономерность проявляется в следующем: если развитие какой-либо отрасли техники тормозится недостаточным уровнем другой отрасли техники или области науки, то развитие последней ускорялся требованиями первой. Так, если отсутствие экономичного генератора тока сдерживало расширение практических применена электричества, то последние стимулировали, ускоряли работу по созданию более совершенной конструкции генератора. В развитии электрического генератора постоянного тока можно разделить на четыре этапа. Первый этап (1831 — 1851 гг.) характеризуется созданием электрических генераторов с возбуждением от постоянных магнитов Такие генераторы получили в то время название магнито- электрических машин. Открытие в 1831 г. явления электромагнитной продукции указало новый способ получения электрического тока который нашел свое практическое воплощение в первом униполярном генераторе — диске Фарадея. Один из первых шагов в истории генератора несет в себе тайну, оставшуюся неразгаданной. Дело в том, что имя изобретателя, сделавшего этот шаг, оставалось неизвестным. Дадим слово Фарадею. «Вчера, по возвращении в город, — писал ученый в редакцию известного лондонскогонаучною журнала 27 июли 1832 г.,— я нашел закрытое письмо, — оно анонимное, и я не имею возможности назвать его автора. Но, «ввиду того, что он описывает опыт, при котором впервые удалось получить химическое разложение магнитоэлектрическим током, я посылаю Нам это письмо для опубликования...»

Письмо было подписано двумя латинскими буквами Р. М, Так и вошел в историю техники «.-генератор Р. М. ». Эта машина представляла собой синхронный многополюсный генератор, т.е. была генератором переменного тока. Письмо Р. М. привлекло к проблеме генератора внимание многих ученых. Прочел публикацию и сам «Р. М.», в марте 1833 г. он обратился и редакцию журнала с благодарностью Фарадею за публикацию письма и описанием усовершенствовании в машине. Главное нз них — добавочное стальное кольцо (ярмо), замыкавшее магнитную цепь сердечников электромагнитов.

И снопа та же подпись: «Р. М.» На рис. 4.13 представлен усовершенствованный вариант генератора. Фарадей также способствовал опубликованию в журнале письма Сальватора даль Негро (апрель 1832 г.), работавшего в городе Падун (Италия), В этом письме описан генератор с возвратно-поступательным движением блока из четырех постоянных магнитов, полюса которых в холили в соединенные определенной последовательности катушки. Это тоже был генератор переменного тока.

Однако переменный ток в то временно не мог ещё найти себе потребителя, так как для всех практических применений электричества (минная электротехника, электрохимия, только что зародившаяся электромагнитная телеграфия, первые электродвигатели требовался постоянный ток Знаменитый Ампер требовал, чтоб электрические машины давали настоящий, т.е. постоянны» ток. Поэтому в

последующем изобретали направили свои усилия на построение генераторов, дающих постоянный электрический ток, разрабатывая для этих целей разнообразные коммутационные устройства.

Впервые приспособление для выпрямления тока в попеременно-полюсной машине (в отличие от униполярной машины Фарадея, которая не нуждалась в устройстве для выпрямления тока, так как давала непосредственно постоянный ток) было применено в 1832 г. в генераторе братьев Пиксии. Изобретение представлялось тогда настолько важным, что сообщения о нем были дважды сделаны в Парижской академии наук. О существе предложения Пиксии можно судить по рис. 4.14. При вращении подковообразного постоянного магнита наводилась переменная ЭДС в двух неподвижных катушках со стальными сердечниками. Магнит приводился во вращение посредством рукоятки и конической передачи. Концы последовательно соединенных катушек выводились к зажимам барабанного коммутатора. В первых конструкциях генераторов для получения тока неизменного направления (но резко пульсирующего) применялось так называемое коромысло Ампера, идея которого ясна из рис. 4.6. В начале 30-х годов индуктированный ток был еще непривычной новинкой, открытой Фарадеем. Поэтому Ампер в докладе о генераторе Пиксии счел нужным подчеркнуть, что с помощью тока от этого генератора «были получены: интенсивные искры; довольно сильное сотрясение; онемение и непроизвольное движение пальцев...; сильное расхождение золотых листиков в конденсаторе Вольта; довольно сильное разложение воды, слегка подкисленной серной кислотой для улучшения ее проводимости».

Но главное, что счел нужным отметить Ампер, это «счастливая мысль», пришедшая Ипполиту Пиксии по поводу «выпрямления» тока. Пластинчатый барабан с прижимающимися к амальгамированным поверхностям пластин подпружиненными медными или бронзовыми пластинами-щетками стал основой коммутирующих устройств для всех последующих конструкций генераторов постоянного тока. С машиной Пиксии работал Э. X. Ленц и имея, но на этой машине в 1838 г. он демонстрировал принцип обратимости.

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

Первым генератором, получившим практическое применен® был магнитоэлектрический генератор Б. С. Якоби. Занимая усовершенствованием методов электрической взрывания мин Б. С. Якоби построил в 1842 г. генератор, названный им «магнит электрической батареей» (рис. 4.15). При вращении катушек зубчатой передачей 5 в поле постоянных магнитов 1 в них наводилась ЭДС ; на валу 2 имелось коммутирующее устройство 4 в виду двух полуцилиндров, представляющее собой простейший двух пластинчатый коллектор. Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших для воспламенения минных запалов.

Стремление повысить мощность магнитоэлектрических генералов примело к увеличению числа постоянных магнитов, Этот путь отражал уже знакомую из истории развития электродвигателей тенденцию: для увеличения мощности соединить несколько элементарных машин в одну. Наибольшее распространение в лабораторной практике 40—50-х годов прошлого века получил магнитоэлектрический генератор немецкого электротехника Э. Штегера с тремя вращающимися постоянными магнитами (1843 г.). Этот генератор использовался учеными (в том числе Ленем и Якоби) д:ы исследования щмцессон в магнитоэлектрических машинах.

Известный толчок к построению более мощных магнитоэлектрических генераторов дали дуговые лампы с регуляторами, получившие применение на мамках в симли с развитием морскою транспорта. Еще в 1849 г. профессор Полле (Бельгия) принялся за построение мощного магнитоэлектрического генератора для установки на маяках. избрав уже проторенный путь комбинировании в одном агрегате большого числа машин. Работы Полле были продолжены Ван Мальдереном (Франция) и Холмсом (Англия), и к 1856 г. машина получила свое конструктивное завершение. Для производства таких генераторов была организована в Париже электропромышленная компания «Альянс» (отсюда произошло и название новой машины*.

В генераторе «Альянс» на чугунной станине были укреплены в несколько рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные по окружности и радиально по отношению к валу. В промежутках между рилами магнитов устанавливались на валу диски с большим числом катушек-якорей (рис. 4.16). В изображенной на рисунке машине было 40 магнитов и 64 стержня (явнополюсных якоря). Различные варианты машины «Альянс» имели разное число рядов магнитов (J, Л, 7). На налу генератора укреплен коллектор с 16 металлическими пластинами, изолированными друг от Друга и от вала машины. В качестве коллекторных щеток служили специальные ролики. В машине впервые было предусмотрено устройство для смещения роликов в зависимости от нагрузки. Перемещение роликов происходило пол действием тяг, идущих от Центробежного регулятора, который был связан с валом машины. В генераторе «Альянс» можно было варьировать сам моток катушек, в результате чего менялась ЭЛС.

В результате генератор мог давать либо большой ток низкого напряжения и служить, например для целей гальванопластики и электролиза, либо ток меньшей силы, но более высокого напряжения (40—250 В) для питания дуговых ламп.

В течение 1857—1865 гг. в эксплуатации было около 100 машин «Альянс». Для привода одной такой машины требовался паровой двигатель мощностью 6—10 л.с. Масса шестидисковой машины «Альянс» доходило до 4 т. причем только на долю магнитов приходилось более 1 т. Есть сведения, что машина «Альянс» получила одобрение Фарадея. Генератор «Альянс» нагляднее, чем другие, меньшие по размерам машины, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлектрическим машинам. Материалы и технология производства постоянных магнитов были еще несовершенными. Под действием реакции якоря, в результате естественного старения и возможных вибраций магниты быстро размагничивались, в связи с чем ЭДС генератора уменьшалась и его мощность снижалась. Во всех этих машинах применялись стержневые якоря, имевшие многослойную обмотку. При работе они быстро нагревались вследствие плохого отвода тепла, что приводило к разрушению изоляции. Масса и габариты магнитоэлектрических генераторов, несмотря на их небольшую мощность, были весьма значительными, и крупные машины были сравнительно дорогими. Принципиальным недостатком машин с явнополюсными якорями явилось то, что они давали резко пульсирующий ток.

Одну из возможностей сгладить ток магнитоэлектрического генератора указал в 1841 г. Уитстон. Он предложил комбинировать в одном агрегате несколько элементарных магнитоэлектрических генераторов, оси катушек (якорей) которых относительно осей симметрии магнитов были сдвинуты. В этом случае оказывались сдвинуты относительно друг друга фазы индуктированных ЭДС и лх суммирование приводило к более гладкой кривой общего тока.

Второй этап в развитии электрического генератора постоянного тока условно можно обозначить промежутком времени 1851—1867 гг. Этот этап характеризуется преимущественным конструированием генераторов с независимым возбуждением, то есть с возбуждением электромагнитов от постороннего, независимого источника. Это способствовало значительному улучшению постоянства работы генераторов и уменьшению их относительной массы. Казалось бы, что после работ Фарадея (1831 г.) не составляло особой трудности пойти на эту замену, однако понадобилось два десятка лет, пока эта идея была реализована.

Первое четкое и обоснованное указание на целесообразность замены постоянных магнитов электромагнитами дал в 1851 г. немецкий врач Вильгельм Зинстеден, увлекшийся исследованиями в области электрических машин и внесший значительный вклад в теорию электромагнетизма и электрических машин.

Однако на его предложение некоторое время не обращали внимания. Следующим в начале 50-х годов прошлого века, независимо от Зинстедена, начал применять электромагниты для возбуждения поля датский изобретатель Серен Хиорт, но его идеи и конструкции были настолько необычны и неожиданны, что они тоже не привлекли к себе должного внимания и были надолго забыты. Мы еще вернемся к работам Хиорта.

В качестве характерного примера генератора с электромагнитами, обмотки которых питались токами от независимого источника, может быть указан генератор англичанина Г. Уайльда (1863 г.). Этот генератор (Рис. 4.17) имел П-образный электромагнит 1, для питания которого был приспособлен отдельный возбудитель небольшой магнитоэлектрический генератор 2. Вместо обычно применявшегося стержневого якоря Уайльд использовал предложенный в 1856 г, немецким электротехником и предпринимателем В. Сименсом якорь с сердечником двутаврового сечения (так называемый *двух-Т-образный» якорь), который является разновидностью явнополюсиого якоря. Этот якорь имел форму вала с продольными выточками, в которые укладывалась обмотка. Сердечник якоря показан на рис. 4.17 справа. Машина с двух-Т-образным якорем обладала меньшим магнитным рассеянием, чем со Стержневым, но в то же время этот якорь, как и стержневой, имея Многослойную обмотку с плохим теплоотводом, сильно нагревался и тем самым ограничивал мощность установки.

Машина Уайльда подготовила конструкторскую мысль к созданию генераторов с самовозбуждением. Действительно, если попробовать питать обмотки возбуждения генератора Уайльда не от отдельного возбудителя, а током самой этой машины, соединив, например, последовательно обмотку возбуждения с обмоткой якоря? Но для того, чтобы сделать эту казалось бы простую попытку, нужно было знать, почувствовать, осмыслить сам принцип самовозбуждения. Как же машина может начать работать, когда нет потока возбуждения и, следовательно, нет индуктированного тока в цепи якоря.

Началом третьего этапа в развитии генераторов постоянного тока условно можно считать 1867 г., когда почти одновременное разных странах был установлен принцип самовозбуждения. Мы говорим «условно» потому, что одну какую-то дату назвать невозможно; вокруг этого важнейшего в истории электрических машин изобретения разгорелся большой спор о приоритете. На первенство претендовали очень известные ученые и изобретатели. Дело обстояло так 17 января 1867 г. крупный немецкий ученый, изобретатель и промышленник доктор Вернер Сименс (1816—1892 гг.) представил в Берлинскую академию наук доклад, в котором изложил сущность принципа самовозбуждения. В докладе были такие слова: «Однако того небольшого количества магнетизма, которое остается даже в самом мягком железе, достаточно, чтобы при возобновлении вращения снова получить в замкнутой цепи непрерывное возрастание тока. Следовательно, достаточно один раз пропустить ток в цепь обмотки неподвижного мамина, чтобы сделать прибор способным давать ток при каждом возобновлении крашения».

В. Сименс назвал принцип самовозбуждения динамоэлектричсским, а самовозбуждающийся генератор стал с тех пор называться динамомашиной. Впрочем, динамомашинами постепенно стали называть любой машинный генератор постоянного тока. В. Сименс понимал значение своего открытия и ещё до доклада в Берлине написал брату Вильгельму в Лондон письмо, в котором изложил суть открытия и просил брата выступить от его имени в Лондонском Королевском обществе. Он просил поторопиться, так как «эта идея легко осуществима и может открыть новую эру в области электромагнетизма. Машина будет готова через несколько дней». Вильгельм Сименс выступил 14 февраля 1867 г. Но на том же заседании, часом или двумя позднее, выступил известный английский физик Чарльз Уитстон — автор многих работ и области электромагнетизма и теории электрических цепей. В докладе Уитстона содержалось описание принципа самовозбуждения и был дай анализ схем соединений самовозбуждающихся генераторов.

Вскоре обнаружилось, что ни Сименс, ни Уитстон не могут претендовать на первенство в открытии принципа самовозбуждения, так как 24 декабря 1866 г. в Англии запатентовали самовозбуждающиися генератор телеграфные инженеры Корнелий и Самюэль Варлей. Более тщательное историческое исследование показало, что 20 июля того же 1866 г., в редакцию журнала «Engineer» направил письмо Д. Мюррей, сообщивший, что, совершенствуя генератор Уайльда, он устранил возбудитель и получил самовозбуждение машины.

Но и это еще не все. Новые исторические поиски привели К имени судебного чиновника Сёрена Хиорта (1801 — 1870 гг.), который в порядке самообразования слушал лекции Эрстеда в Копенгагенском политехническом институте. Перейдя работать на железную дорогу, Хиорт попытался применить там электрические машины.

В мае 1852 г. в своем сообщении научному обществу в Копенгагене он описал принцип самовозбуждения и показал чертежи машины. Как бы не доверяя остаточному магнетизму, он сохранил в генераторе для создания первоначального импульса постоянный магнит. В 1854 и 1855 гг. Хиорт получил английские патенты на машины с самовозбуждением, причем в последнем патенте он совершенно четко указывает, что можно обойтись и без постоянного магнита.

В 1856 г. венгерский физик Аньош Йедлик независимо от Хиорта пришел к выводу о том, что если обмотки возбуждения присоединить к зажимам якоря того же генератора, то при пуске машины развивается процесс самоусиления магнитного поля. Вместе с тем Йедлик заметил, что для возникновения этого процесса нет необходимости в установке постоянных магнитов, а вполне достаточно остаточного магнетизма. Так Йедлик совершенно сознательно сформулировал не только принцип самоусиления магнитною поля, но и принцип самовозбуждения генератора. В 1861 г. он построил самовозбуждающийся генератор.

Находятся и другие, претенденты на открытие принципа самовозбуждения. Например, в американском словаре научных биографий утверждается, что первым был ирландский физик и священник Николас Каллан, который сделал свое открытие еще в 1838 г.

Работы Хиорта и Йедлика были, по-видимому, несколько преждевременными, и, кроме того, изобретатели не располагали необходимыми средствами для промышленного изготовления машин в больших масштабах. На их идеи не было обращено достаточного внимания. Иное положение было у В. Сименса; являясь главой фирмы, со временем завоевавшей позиции ведущего мирового электротехнического концерна, он открыл широкую дорогу для производства «динамомашин».

Существенным недостатком первых генераторов с самовозбуждением являлась весьма несовершенная конструкция якоря. Так, двух-Т-образный якорь Сименса не только ограничивал мощность машин из-за быстрого нагрева, вызывал сильное искрение на коллекторе, но и давал резко пульсирующий ток. Этот ток, в свою очередь, вызывал резкую пульсацию магнитного потока и, следовательно, большие потери в стальных сердечниках. В этом отношении двух- Т-образный якорь ничем не отличался от стержневого, поскольку и тот и другой были только разновидностями неудачного явнополюсного исполнения якорей машин постоянного тока. Событием, революционизировавшим развитие электрической машины, положившим начало промышленной электротехнике, явилось объединение принципа самовозбуждения с конструкцией кольцевого якоря.

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

Бывший столяр фирмы «Альянс» Зеноб Т. Грамм (1826—1901), занимаясь изготовлением электрических машин, стал одним из самых известных французских специалистов в области электромашиностроения и электрического освещения. В июне 1870 г. он получил патент, а в 1871 г. представил доклад в Парижскую академию наук, в которых содержалось описание самовозбуждающегося (в общем случае многополюсного) генератора с кольцевым якорем. На гладкий железный кольцеобразный сердечник наматывалась замкнутая сама на себя обмотка (позднее такую обмотку стали называть граммовской). От равноудаленных точек этой обмотки шли отпайки к коллекторным пластинам. Общий вид одной из конструкций генератора Грамма изображен на рис. 4.18 а. На станине 1 укреплены электро-магниты 2 с поясными наконечниками 3, между которыми вравращается якорь 4; it специальных держателях укреплены щетки, соприкасающиеся с почти современного типа коллектором 5. Якорь приводи гея новращение, через пртюдиоп шкин. Обмотка возбуждении включена последовательно с обмоткой якоря.

На рис. 4.18 б показана принципиальная схема генератора, .1 на рис. 4.18 < конструкции кольцевою якоря. Грамм указывал, что сердечник якоря может быть сплошным, а может быть изготовлен из пучка стальных проволок /, как покапано на рисунке; здесь же 2 — катушки обмотки, 3 — коллекторные пластины.

А. Пачинотгп прочел и 187Гг. и парижском журнале сообщение о изобретении Грамма и направил и редакцию очень корректное письмо, в котором устанавливал сноп приоритет на кольцевой якорь. «Я не оспариваю заелп» г. Грамма, разработавшего принцип поперечного электромагнита и поместившего иокрг него больше двух индуктирующих полюсов, но и хотел бы, чтобы было окончательно установлено, что вращающийся электромагнит, с коммутатором, и возбуждаемый полюсами неподвижного электромагнита, был построен мною уже в I860 г. ... Моя машина хранится еще до сих пор в кабинете технологической физики в университете гор. Пизы».

Справедливости ради отметим, что якорь Пачнноттн был лучше граммовекого, так как он был зубчатым, следовательно, в машине Пачнноттн был меньше немагнитный зазор между якорем и полюсами.

Конфигурация магнитопронода была еще несовершенной, но улучшения этого рода могли последовать только в 80-х годах, после тот как были разработаны методы расчета магнитной цепи. Позднее Грамм предложил еще несколько конструкций самовозбуждаюшихся машин, различных по внешнему виду и мощности, но принципиальных изменений в свою машину он больше не вносил.

Генератор-Грамма оказался весьма экономичным источником электрической энергии, позволившим получать значительные мощности при высоком КПД и сравнительно малых габаритах и массе. Сравнение машины Грамма, например, с машиной «Альянс* показывает, что самовозбужлающийея генератор с кольцевым якорем имел массу на 1 кВт примерно в 6 раз меньшую, чём генератор с постоянными магнитами. Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали тому, что этот генератор быстро вытеснил другие типы и получил очень широкое распространение. В начале 70-х годов принцип обратимости электрических машин был уже хорошо известен, и машина Грамма использовалась как в режиме генератора так и в режиме двигателя. Таким образом, в начале 70-х годов обе линии развития электрических машин (генератора и двигателя) объединились.

Машина Грамма представляла собой машину постоянного тока современного типа. Однако она нуждалась в определенных усовершенствованиях, которые и последовали в 70—80-х годах прошлого века.

Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали тому, что этот генератор быстро вытеснил другие типы и получил очень широкое распространение. В начале 70-х годов принцип обратимости электрических машин был уже хорошо известен, и машина Грамма использовалась как в режиме генератора так и в режиме двигателя. Таким образом, в начале 70-х годов обе линии развития электрических машин (генератора и двигателя) объединились.

Машина Грамма представляла собой машину постоянного тока современного типа. Однако она нуждалась в определенных усовершенствованиях, которые и последовали в 70—80-х годах прошлого века.

4.4. Пути генераторов и электродвигателей соединились

Известно, что индуктированная ЭДС пропорциональна индукции магнитного поля, длине проводника и относительной скорости перемещения проводника в магнитном поле. При всех своих достоинствах кольцевой якорь обладал одним существенным недостатком: каждый виток разделялся на две части — наружную активную, находящуюся в магнитном поле полюсов, и внутреннюю пассивную, находящуюся вне главного поля и фактически не участвующую в образовании ЭДС.

Следовательно, использование медной обмотки было плохим. Устранить этот недостаток сумел известный немецкий электротехник, главный инженер фирмы Сименса, член Берлинской Академии наук Фридрих Гефнер-Альтенек (1845—- 1904 гг,), В 1873 г. он предложил конструкцию барабанного якоря. Схема формирования петлевой обмотки барабанного якоря показана на рис. 4.19 и, где показано, что «прямой» проводник проходит по образующей цилиндра-барабана, а «обратный» — тоже по образующей цилиндра, но в зоне другого полюса (пример, относится к двухполюсной машине).

Не используются только торцевые или лобовые части каждого витка. На рис. 4.19 б показаны ответвления от витков к пластинам коллектора. Чтобы не загромождать чертежа щетки условно показаны внутри, тогда как в действительности они накладываются на коллектор снаружи. На рис. 4.20 показана промышленная машина с барабанным якорем.

Очень важные усовершенствования в конструкцию якоря внес американский изобретатель Хайрем Максим (1840—1916 гг.), более известный как автор системы пулемета. В 1880 г. он вновь (после Пачинотти) ввел зубчатый якорь, а также внутренние каналы для вентиляции. Знаменитый Томас Альва Эдисон (1847—1931 гг.) в 1880 г. получил патент на изобретение шихтованного якоря. В патенте указывалось: «... во вращающихся якорях, изготовленных из цельного металла... токи индуктируются в самой массе металла... Эти токи вызывают вредное влияние. Чтобы устранить это, — я изготовляю якорь из большого числа тонких дисков или колец, закрепленных на валу и отделенных друг от друга легкой изоляцией. Я получил очень хорошие результаты, применяя диски... от 1/32 до 1/64 дюйма толщиною, разделенные между собой листами тонкой бумаги... Благодаря этому полезная мощность машины значительно увеличивается». Известно, что примерно такая толщина листов электротехнической стали сохранилась до настоящего времени, однако оклейку листов бумагой со временем заменили лакировкой этих листов.

С 1885 г. началось применение шаблонной обмотки, что значительно улучшило ее качество и снизило стоимость машин. Важным усовершенствованием машины постоянного тока явилось введение в 1884 г. компенсационной обмотки, а в 1885 г. — дополнительных полюсов, с помощью которых удавалось компенсировать реакцию якоря и улучшить коммутацию. В 1891 г. немецким профессором Э. Арнольдом была опубликована первая работа, посвященная теории и конструированию обмоток электрических машин.

Длительную эволюцию претерпела конфигурация магнитной системы электрических машин. Пока не были выяснены основные соотношения между геометрическими размерами, магнитодвижущими силами и индукциями, сердечники полюсов были либо излишне громоздкими, либо напротив, имели очень малое сечение и большие длины. Магнитные системы часто были несимметричными и имели несколько стыков, представлявших собой технологические зазоры. Достаточно рассмотреть приведенные конструкции, чтобы убедиться в справедливости сказанного.

Явление магнитного насыщения открыто Дж. Джоулем в 1840 г. Весьма прогрессивными были труды выдающегося русского физика Александра Григорьевича Столетова (1839—1896 гг.) по исследованию магнитных свойств «мягкого железа», выполненные в 1871 г. А. Г. Столетов показал, что магнитная восприимчивость железа с ростом напряженности магнитного поля сначала возрастает, проходит через максимум и затем уменьшается. Следовательно, при проектировании электрической машины следует учитывать сорт железа и выбирать рациональный режим намагничивания.

В 1880 г. после открытия независимо друг от друга итальянским физиком А. Риги и немецким физиком Э. Варбургом явления гистерезиса начались исследования потерь в стали при перемагничивании (английский ученый Д. Юинг, американский электротехник Ч. П. Штейнмец). Большое значение для проектирования электрических машин и аппаратов имели работы английских электротехников Дж. Гопкинсона и Г. Роуланда (1873 г.), сформулировавших и исследовавших закон магнит- ной цепи. Все эти открытия способствовали переходу от грубой эмпирики к достаточно строгому анализу и проектированию электротехнических устройств. Магнитная система электрических машин приобретала все более компактную и симметричную форму. Вслед за двухполюсными машинами в 80-е годы Стали строиться четырехполюсные и вообще многополюсные машины.

Одним из пионеров многополюсных машин, предлагавшихся еще Граммом, был русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский, о котором главный разговор еще впереди. На рис. 4.21 представлена конструктивная схема четырехполюсной машины постоянного тока с дополнительными полюсами, сформировавшаяся в 80-х годах и сохранившаяся до настоящего времени.

Развитие электрических машин и аппаратов вызвало необходимость в разработке специальных термостойких электроизоляционных материалов. Для повышения термостойкости создаются пропиточные составы и покрытия, а также композиционные изолирующие материалы. Для изоляции пластин коллектора начинают применять слюду. В начале 90-х годов на основе слюды создаются новые материалы: миканит, микалента, микафолий, нашедшие широкое применение для изоляции в электрических приборах и машинах.

В конце XIX — начале XX вв. также создаются различные синтетические высокомолекулярные соединения, на основе которых разрабатываются новые электроизоляционные материалы, которые наряду с хорошими электрическими свойствами обладают высокой термо и влагостойкостью.

4.5. Электротелеграфия, электроавтоматика, электрохимия — ступени прогресса

Как уже отмечалось, длительное время электрическая энергия не могла получить широкого практического применения из-за отсутствия экономичных генераторов. Но это относится к так называемым энергетическим применениям электричества, при которых затрата энергии пропорциональна количеству получасмого продукта, интенсивности производственного эффекта.

Что же касается неэнергетнческнх применений, не требующих значительных затрат электроэнергии, когда она используется лишь в качестве вспомогательного средства для передачи сигналов (телеграфия, телефония, электрическое взрывание мин, дистанционное управление и др.), то именно такие ннэнергетические применения положили начало практическому использованию электричества.

Расширение неэнергетических применений электричества сыграло значительную роль в развитии электротехники вообще, так как в процессе создания разнообразных устройств такого рода неизбежно приходилось разрешать ряд практических и теоретических проблем в области электротехники: совершенствовать источники питания, создавать разнообразные приборы и приспособления, в том числе и автоматические, изготавливать изолированные проводники, исследовать свойства различных материалов, разрабатывать методы измерений, устанавливать единицы измерения величин. Все это привело к разработке схем и методов, получивших применение в современной телемеханике и телеуправлении, например, кодоимпульсного метода, принципа синхросинфазной связи, распределителей, исполнительных устройств.

Первым электротехническим устройством, предназначенным для широкого практического использования, был электрический телеграф. Наиболее совершенным оказался электромагнитный телеграф, выгодно отличавшийся от предшествовавших ему электростатического и электролитического телеграфов.

Первый практически пригодный электромагнитный телеграф был разработан русским ученым Павлом Львовичем Шиллингом (1786 1837) в 1828—1832 гг. Этот телеграф был основан на визуальном приеме кодовых знаков (рис. 4.22) и явился исходной конструкцией для последующих телеграфов. Шиллингом впервые был применен кодированный сигнал, чем было положено начало кодоимпульсному методу, получившему распространение в современной телемеханике.

В процессе разработки проекта подводной телеграфной линии Петергоф-Кронштадт (1837 г.) П. Л. Шиллингом был впервые применен каучук для изолирования подводного кабеля, а также указана возможность использования воды или земли в качестве обратного провода.

На суше телеграфная линия была выполнена Шиллингом в виде проводов, закрепленных на «телеграфных» столбах. Много позднее, в 1857 г., Б. С. Якоби вспоминал, что один из членов правительственного Комитета по рассмотрению предложения Шиллинга сказал изобретателю: «Любезный друг мой, Ваше предложение — безумие, Ваши воздушные проволоки поистине смешны».

Из всех предложенных после Шиллинга конструкций электромагнитных телеграфов наиболее широкое применение получил телеграф американца С. Морзе* (1844 г.). Заслуживает внимания разработанный Б. С. Якоби принцип электрической синхронно- синфазной связи, лежащей в основе современной техники дистанционной передачи и следящего электропривода. В таком телеграфе Якоби стрелки передающего и приемного аппаратов создавали равномерно-прерывистое шаговое движение, перемещать с одинаковой скоростью (синхронно) и занимая одинаковое пространственное положение (синфазно). В середине XIX в. были разработаны конструкции буквопечатающих телеграфов (1850 г. — Якоби, 1855 г.— Д. Юз).

Среди первых применений электричества отметим использование его в военном деле, прежде всего для воспламенения пороховых зарядов. Эта проблема впервые была успешно разрешена в 18l2 г. Шиллингом, осуществившим на Неве опыт по электрическому взрыванию подводных мин.

Дальнейшие работы в области минной электротехники развивались в направлении совершенствования электрических запалов, создания специальных электрических машин и приборов для их питания ("взрывные" машинки, индукционные катушки) и автоматизации самого процесса взрывания мины.

Так, Б. С. Якоби в начале 40-х годов разработал специальный магнитоэлектрический генератор и индукционный прибор, которые были приняты на вооружение русской армии. Создание этих приборов положило начало батарейной и генераторной системам зажигания с применением индукционной катушки. Именно в минном деле впервые получил применение такой широко распространенный электротехнический прибор, как индукционная катушка. Б. С. Якоби, а также многими другими отечественными и зарубежными военными электротехниками были разработаны разнообразные электроавтоматические приборы, обеспечивающие взрыв мины при ее соприкосновении с кораблем.

Характерной особенностью этого периода развития электротехники являются первые попытки использования электрической энергии для целей автоматического контроля, управления и регулирования. Если ранее для этого применялись различные механические устройства, то начиная с 30-х годов XIX в. в Стоматических приборах и установках получают все большее применение разнообразные электромеханические элементы. Происходит качественный сдвиг в развитии автоматики и телемеханике зарождается новая область техники — электроавтоматика. Эффективность использования электричества в автоматических и механических устройствах определялась прежде всего свойством электрического тока быстро распространяться по проводу. Основными элементами простейших электроавтомат-яческнх и телемеханических устройств были электромагниты и электромагнитные реле. К их числу могут быть отнесены электромагнитные реле в телеграфах Шиллинга и Якоби, электромеханический ре» гнетратор импульсов в пишущих телеграфах, устройства синхронизированного вращения в стрелочном п буквопечатающем телеграфах, релейные устройства для автоматического замыкании электрической цепи в телеграфах и минных установках.

В середине прошлого века разрабатываются электроавтоматические устройства для регистрации малых промежутков времени, контроля некоторых производственных процессов, создается ряд схем дистанционного управления.

Одним из первых наиболее совершенных регистрирующих устройств была разработанная в 1842—1845 гг. электроавтоматическая установка русского военного электротехника К, И. Константинова (1819—1871) с электромагнитным хроноскопом и автоматическим переключателем цепей — прототипом распределителя — элемента современных автоматических и телемеханических установок. Автоматический переключатель (рис. 4.23) действовал следующим образом: двухступенчатый деревянный цилиндр 1 приводился во вращение грузом 2. При прохождении тока через Электромагнит 5 тормозящий рычаг 3, посаженный на ось 4, удерживал цилиндр от вращения. После выстрела снаряд разрывая проволоку щита 1 и цепь электромагнит-источник тока (зажим 8) размыкалась. Спиральная пружина 9 отводила тормозящий ручаг до упора 10. Цилиндр вращался до тех пор, пока контактная пластина 7 не соединялась с пружиной следующего щита III, в цепь электромагнита снова замыкалась. С помощью такого устройства Константинову удалось осуществить измерение малых промежутков времени с точностью до 0,00006 с. Приборы, создание. Константиновым, автоматически сигнализировали и регистрировали момент прохождения снаряда сквозь шит.

электромагнитные регуляторы в дуговых электрических лампах, обеспечивающие автоматическое регулирование расстояния между электродами дуги. До появления свеч Яблочкова в 1876 г. электромагнитный регулятор являлся наиболее важным конструктивным узлом дуговых ламп, без которого последние не могли работать. Большинство дуговых ламп отличалось друг от друга только устройством регулятора.

Самым распространенным электроавтоматическим устройством в 50—70-х годах XIX в. были электромагнитные регуляторы в дуговых электрических лампах, обеспечивающие автоматическое регулирование расстояния между электродами дуги. До появления свеч Яблочкова в 1876 г. электромагнитный регулятор являлся наиболее важным конструктивным узлом дуговых ламп, без которого последние не могли работать. Большинство дуговых ламп отличалось друг от друга только устройством регулятора.

Одной из первых по времени (1846 г.) конструкций дуговой лампы с электромагнитным регулятором была лампа француза Аршро (рис. 4.24). Эта лампа, в частности, применялась для освещения площади перед зданием Адмиралтейства в Петербурге, однако опыты были признаны тогда неудачными. Большую известность получило применение десяти дуговых ламп с регуляторами А. И. Шпаковскош в 1856 г. при иллюминации на Лефортовском плацу в Москве во время торжеств ПО случаю Рис. 4.24. Дуговая лампа Аршро Коронации Александра II. с электромагнитным регулятором , А. И. Шпаковского применялось комбинированное (электромагнитное и механическое) регулирование.

По характеру электрической схемы питания регуляторы разделяли на три группы: регуляторы с последовательным питанием, параллельные и дифференциальные регуляторы. В регуляторах с последовательным питанием обмотка электромагнита включалась последовательно, а с параллельным — параллельно с дугой (рис. 4.25 а,б). В дифференциальном регуляторе (рис. 4.25 в) горение дуги регулировалось как последовательной, так и параллельной обмотками. После включения лампы регулятор работал прилюбом положении углей.

Наиболее совершенные дифференциальные регуляторы разработаны Владимиром Николаевичем Чиколевым (!84J- 1898 гг.) в 1869—1879 гг., в частности, им впервые в мировой электротехнической практике примечен метод электромашинного регулирования. На рис. 4.26 показана дуговая лампа Чиколева с электромашинным регулятором: последовательная и параллельная обмотки регулятора служили обмотками возбуждения двигателя 3, 4. Действие электромагнитов было встречным: при обгорании углей усиливалось действие параллельной обмотки, якорь 5 вращал вал 2 в одну сторону." угли сближались. При чрезмерном сближении углей усиливалось действие последовательной обмотки, и угли раздвигались В 60—70-х годах XIX в. в связи с развитием телефонии создаются специальные автоматические устройства — искатели, коммутаторы и др.

Ведется разработка электротермических, электрохимических, электромагнитных и электромашинах устройств.

В. рассматриваемый период было положено начало и энергетическим применениям электричества, в частности, начинает развиваться промышленная электрохимия. Развитие промышленной электрохимии в огромной мере обязано открытию Б. С. Якоби в 1838 г. явления гальванопластики, которая позволила с помощью электролиза получать точные копии с поверхности предметов и сразу же нашла практическое применение, например, в полиграфии, медальерном деле и т.п. Она явилась истоком созданного Якоби метода нанесения на поверхность предмета металлических покрытий — гальваностегии. В середине прошлого века в России и за границей возникли крупные гальванотехнические промышленные предприятия, на многих заводах были созданы гальванические мастерские.

Развитие промышленной электрохимии также сыграло важную роль в развитии электротехники, вызвав необходимость совершенствования источников постоянного тока (в частности, создания экономичного генератора) и углубления электрохимических исследований.

Развитие исследований в области электрических и магнитных явлений и расширение их практического применения вызвали несудимость разработки методов измерений основных электрических величин и создания электроизмерительных приборов.

Принцип действия первых электрических измерительных примеров основан на отклонении магнитной стрелки электрическим током. Такие приборы являлись лишь индикатора мм тока. Первьц, из них был мультипликатор австрийского физика И. X. Швейггсрд созданный в 1820 г. Он представлял собой рамку, состоящую из нескольких витков проволоки, внутри которой помещалась маг- нитная стрелка. Для устранения влияния земного магнетизма Лц. пер (в 1821 г.), как уже отмечалось ранее (см. параграф 3.5), предложил астатическую пару. В первых стрелочных приборах, служивших для измерения тока, синус или тангенс угла отклонения стрелки был пропорционален величине тока, поэтому такие приборы назывались соответственно синус- и тангенс-гальванометрами.

Первая попытка отградуировать гальванометр сделана в 1839 г, Б. С. Якоби. Уже в первой половине XIX в. создаются более чувствительные и точные гальванометры, электродинамометр, астатический гальванометр и т.п. Были разработаны баллистический (Э. X. Ленд, 1832 г.) и компенсационный (немецкий физик И. Похтендорф, 1841 г.) методы измерений, мостовая измерительная схема (Ч. Уитстон, 1843 г.) и др.

В 40—60-х годах разрабатываются первые конструкции реостатов ("вольтагометр" Якоби), реохордов (Поггендорф), магазинов сопротивлений и других подобных устройств.

В течение всей второй половины XIX в. обсуждался вопрос об электрических единицах и эталонах. Сначала чуть ли не каждый исследователь создавал свой эталон. Так, Э. X. Ленц в 1838 г. пользовался единицей электрического сопротивления, реализованного в виде эталона — калиброванной медной проволоки длиной I фут. В 1848 г. создал эталон сопротивления Б. С. Якоби: его эталон получил распространение в лабораториях России и Европы. Предлагали свои единицы сопротивления Сименс, Уитстон и др.

Необходимость в установлении единых международных единиц все более возрастала. Большую работу ь этом отношении провела Британская ассоциация для содействия развитию наук, образовавшая в 1861 г. специальный Комитет для разработки эталона единицы электрического сопротивления. Этот Комитет предложил названия единиц «Ом», «Вольт», «Фарада». Особых названий для единиц тока и количества электричества ещё не было. Международный конгресс электриков, состоявшийся в 1831 г. в Париже, рекомендовал для применения абсолютную электромагнитную систему и ввел названия единиц «Ампер» и «Кулон».

Окончательное разрешение вопрос об единицах и эталонах подучил на Чикагском электротехническом конгрессе в 1893 г.

4.6. Становление основ теории электрических цепей и электромагнетизма

Как известно, процессы в электрической цепи определяются скалярными величинами электродвижущей силы (или напряжения) и тока. Понятие об электродвижущей силе ввел в обращение А. Вольта. После первых качественных и количественных исследований в 20-е годы прошлого столетия стали формироваться физические основы теории электрических токов. Самый большой вклад здесь был внесен работами Ампера. Г. С. Ом своим знаменитым законом, полученным экспериментальным путем, заложил основы расчетов электрических цепей. Еще до Кирхгофа разными учеными находились токи в разветвлениях цепей (например, Ленцем). Но только Кирхгофу в 1845—1847 гг. удалось сформулировать известные топологические законы, названные его именем. Законы Кирхгофа легли в основу всех последующих методов расчета цепей.

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

Один из крупнейших немецких ученых Герман Людвиг Гельмгольц (1821 — 1894 гг.) ввел в 1853 г. в теорию цепей известный ранее в физике принцип суперпозиции, на основе которого были построены важные теоремы электрических цепей, включая теор .му об эквивалентном источнике (Гельмгольца — Тевенена). Гельмгольц же впервые получил уравнение переходного процесса в , цепи при ее подключении к источнику, рассмотрел постоянные времени электрической цепи. Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1853 г. дал расчет колебательного процесса и установил связь между частотой собственных колебаний, индуктивностью и емкостью. Максвеллом был разработан метод контурных токов, доказана теорема взаимности. Постепенно формировался практически весь арсенал методов расчета (включая эквивалентные преобразования) цепей постоянного тока.

Посте открытия электромагнитной индукции внимание ученых в значительной степени переключилось с «гальванических» токов, . когда главными объектами исследований были сами гальванические элементы, процессы электролиза, на индукционные токи, когда наибольший интерес стали вызывать явления электромагнетизма.

Здесь особая роль принадлежит выдающемуся русскому физику I Э. X. Ленцу. Он учился в своем родном городе Тарту (бывший город Юрьев, затем Дерпт), еще студентом в качестве физика участвовал в кругосветном путешествии под командой О. Е. Коцебу, стал академиком Петербургской Академии наук, заведующим кафедрой физики, затем деканом физико-математического факультета, а в 1863 г. был избран ректором Петербургского университета.

В своем докладе Петербургской Академии наук 29 ноября 1833 г. Э. X. Ленц, находясь под большим впечатлением от работ по электромагнитной индукции М. Фарадея, дал свою знаменитую формулировку закона, названного его именем: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что он мог бы обусловить, в случае неподвижности данного проводника, его перемещение в противоположную сторону, причем предполагается, что такое перемещение может происходить только в направлении движения или в направлении, прямо противоположном».

Очевидно, что в этой формулировке заключена и идея принципа обратимости электрических машин, развитая позднее Б. С. Якоби. Э. X. Ленд был одним из основоположников теории магнитоэлектрических машин. Ему принадлежит открытие и объяснение явления реакции якоря (1847 г.) и установление необходимости сдвигать щетки с геометрической нейтрали, он впервые изучал смещение фазы тока относительно фазы напряжение <1853 г.), придумал коммутатор для изучения формы кривой индуктированного тока (1857 г.). Им было установлено условие режима максимальной полезной мощности источника энергии, когда г. нутре инее сопротивление источника равно сопротивлению внешней цепи. Широко известна работа Э. X. Ленцз по тепловому действию тока (1842—1843 гг.), которая была выполнена независимо от Джеймса Джоуля (1841 г.) и представляла собой настолько обстоятельное исследование, что известному закону было справедлив присвоено имя обоих ученых.

В 1867 г. Максвелл сделал доклад Лондонскому Королевскому обществу «О теории поддержания электрических токов механическим путем без применения постоянных магнитов». Это был чисто теоретический труд, охвативший все известные к тому времени сведения об электрических машинах постоянного тока. Вероятно, затруднения в понимании максвелловскою стиля изложения помешали современникам по достоинству оценить эту работу.

Серьезно продвинули теорию электрических машин введенные в 1879 г. английским электротехником Джоном Гопкинсоном (1849—1898) графические представления о зависимостях в электрических машинах, так называемые характеристики машин (характеристика холостого хода, внешняя и др.). Им же введено понятие о коэффициенте магнитного рассеяния.

В мае 1886 г. Дж. и Э. Гопкинсоны сделали доклад в Лондонском Королевском обществе с Динамоэлсктрические машины», в котором содержалась уже вполне законченная, не потерявшая своего значения до нашего времени теория электрических машин постоянного тока.

Открытия в области электричества и магнетизма, сделанные в первой половине XIX в., а также практическое применение этих явлений стали предпосылками к важным научным обобщениям, в частности к созданию электромагнитной теории Максвелла. Первые дифференциальные уравнения поля были записаны Максвеллом в 1855 — 1856 гг. В 1864 г. он дал определение электромагнитного поля и заложил основы его теории.

Заслуга Максвелла состоит в том, что, использовав накопленный до него громадный экспериментальный материал, он обобщил и развил прогрессивные идеи Фарадея, придав им стройную математическую форму. В своем труде «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873 г.) Максвелл изложил основы разработанной им теории поля, являющейся краеугольным камнем современного учения об электромагнетизме. Важнейшие результаты своих исследований Максвелл сформулировал в виде знаменитых уравнений, получивших его имя. Максвелл обобщил закон электромагнитной индукции, распространив его на произвольный контур в любой среде. Он ввел понятие об электрическом смещении и токах смещения, установил принцип замкнутости тока. Одним из важнейших выводов Максвелла является утверждение о том, что магнитное и электрическое поля тесно связаны между собой и изменение одного из них вызывает появление другого. Исследования показали, что скорость распространения подобных электромагнитных возмущений совпадает со скоростью света. Этот вывод был положен в основу электромагнитной теории света, разработанной Максвеллом и являющейся одним из выдающихся теоретических обобщений естествознания.

Максвелл не дожил до торжества своих глубоких научных идей и обобщений. Он сам еще не мог во всем объеме представить значение всего того, что содержалось в его «Трактате об электричестве и магнетизме», и того, что из него вытекало. Позднее немецкий физик Г. Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн, а русский физик П. Н. Лебедев открыл световое давление и определил из опытов его значение, совпадающее с вычисленным по теории Максвелла.

Важное значение в развитии представлений о движении энергии имели работы проф. Н. А. Умова, среди которых особого внимания заслуживает его докторская диссертация «Уравнения движения энергии в телах» (1874 г.). Идеи Умова получили дальнейшее развитие, в частности, в трудах английского физика Дж. Г. Пойнтинга применительно к электромагнитному полю (1884 г.).

ГЛАВА 5 «ГЕРОИЧЕСКИЙ ПЕРИОД» ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ»

5.1. Электрическое освещение стимулирует рождение практической электротехники

Электротехнические устройства не выходили за пределы лабораторий, пока не было достаточно мощного и экономичного источника электрической энергии и массового потребителя. К 1870 г. такой источник был создан. Следующие за этой датой 15—20 лет прошли как годы зарождения основных электротехнических устройств массового промышленного и бытового назначения, как годы становления новой отрасли техники. Это был «героический» период истории электротехники.

Первым по-настоящему массовым потребителем электрической энергии явилась система электрического освещения. Электрическая лампа и по нынешний день осталась самым распространенным электротехническим устройством.

В течение первой половины XIX в. господствующее положение занимало газовое освещение, имевшее существенные преимущества перед лампами с жидким горючим: централизация снабжения установок светильным газом, сравнительная дешевизна горючего, простота газовых горелок и простота обслуживания. Но по мере развития капиталистического производства, роста городов, строительства крупных производственных зданий, гостиниц, магазинов, зрелищных помещений оно все менее удовлетворяло требованиям практики, так как было опасно в пожарном отношении, вредно для здоровья, а сила света отдельной горелки была мала. Особенно недостатки газового освещения стали сказываться на крупных предприятиях с большим числом рабочих, занятых на производстве по 12 — 14 часов в сутки, вызывая резкое снижение производительности труда.

Поэтому вполне своевременными, отвечавшими социальному заказу общества были попытки создать электрические источники света, вскоре решительно вытеснившие все иные источники. Как пример опрометчивого и недальновидного выступления укажем на высказывание одного из крупнейших электриков, главного инженера фирмы Грамма Ипполита фон гена, который издал книгу «Электрическое освещение*. Там находим следующие слова: «Для жилых помещений газовое освещение является самым приятным, удобным и дешевым. Электрическое освещение, возможно, найдет применение для отдельных больших комнат и в парадных квартирах, но это будет такими редкими исключениями, что излишне обращать на них внимание... Никогда электрический свет не нанесет ущерба газу, масляным лампам и саечам». Фонтен ошибся. И лишь как напоминание о тех временах сохранились до наших дней в некоторых западноевропейских городах газовые фонари, создающие своеобразный городской уют и атмосферу исторического музея.

Развитие электрического освещения шло по двум направлениям: конструирование дуговых ламп и ламп накаливания.

Вполне естественно начать историю электрического освещения с упоминания об опытах В. В. Петрова в 1802 г., которыми (как уже отмечалось) было установлено, что при помощи электрической дуги «темный покой довольно ясно освещен быть может». Тогда же, в 1802 г., Дэви в Англии демонстрировал накал проводника током.

Электрическая или «вольтова» дуга представляла собой в буквальном смысле яркое проявление электрического тока и в первой половине XIX столетия она часто демонстрировалась в лабораториях и на лекциях об электричестве. Принципиальными недостатками дугового источника являются: открытое пламя (и отсюда — пожарная опасность), огромная сила света и необходимость регулирования дугового промежутка по мере сгорания углей.

В 1844 г. французский физик Жан Бернар Фуко (1819—1868 гг.), именем которого названы открытые им вихревые токи, заменил электроды из древесного угля электродами из ретортного угля, что увеличило продолжительность горения лампы. Регулирование оставалось еще ручным (рис. 5.1). Такие лампы могли получить применение лишь в тех случаях, когда требовалось непродолжительное по времени, но интенсивное освещение, например, при подсветке предметного стекла микроскопа, при устройстве сигнализации в маяках или театральных эффектах. Легко себе представить восторг (а может быть и испуг) зрительного зала, когда в Парижском оперном театре в 1847 г. по ходу спектакля(а давали оперу Мейербера «Пророк») восход солнца имитировался с помощью дуговой лампы.

Дальнейшая история дугового электрического освещения связана с изобретениями различных механических и электромагнитных регуляторов, о чем уже рассказывалось в конце предыдущей главы.

Дальнейшая история дугового электрического освещения связана с изобретениями различных механических и электромагнитных регуляторов, о чем уже рассказывалось в конце предыдущей главы.

Идея дифференциального регулятора Чиколева, получившего широкое применение в прожекторостроении, была использована другими конструкторами, в частности немецким фабрикантом 3. Шуккертом. Крупносерийный выпуск дуговых ламп с дифференциальным регулятором начали производить в конце 70-х годов заводы Сименса (с которыми объединились заводы Шуккерта), и такая лампа стала продаваться под наименованием «дуговая лампа Сименса».

С 80-х годов дифференциальные дуговые лампы стали единственным типом дуговых источников света, которые применялись для освещения улиц, площадей, гаваней, а также для освещения больших помещений производственного или общественного назначения, они стали обычными источниками света в прожекторной и светопроекционной технике.

Особое место среди дуговых источников света занимает «электрическая свеча» Павла Николаевича Яблочкова (1847— 1894). Изобретение, о котором пойдет речь, не привело к массовому и устойчивому применению именно этого источника света, но оно заслуживает особой оценки и отдельного рассказа, поскольку именно «электрическая свеча» явилась тем детонатором, который вызвал бурный рост электротехнической промышленности.

П. Н. Яблочков был военным инженером, выпускником Глав, ною инженерного училища в Петербурге. Окончание им училища совпало но времени с появлением динамомашины, и молодой офицер, заинтересовавшись электротехникой, вскоре поступил в Техническое гальваническое заведение, в котором готовились военные электротехники. Желая посвятить себя полностью работам по электротехнике, Яблочков выходит в отставку и занимает, исследованиями в созданной им в Москве мастерской физических приборов.

Осенью 1875 г. Яблочков проводил опыт электролиза поваренной соли. Два угольных электрода были расположены параллельно, и однажды, когда электроды на мгновение коснулись друг друга в нижних своих частях, между ними возникла электрическая дуга. Яблочков вместе со своим помощником как завороженные наблюдали сквозь толстые стекла стеклянного сосуда яркое в буквальном смысле слова явление и «предоставили углям гореть до конца, а сосуду треснуть». Увидев длительное горение дуги между параллельными стержнями, изобретатель воскликнул, обращаясь к своему коллеге: «Смотри, и регулятора никакого не нужно».

Изобретение было важным, но гениально простым: чтобы избавиться от дорогах регуляторов нужно просто повернуть угли из встречного положения в параллельное. Необходимо было несколько дней, чтобы технически доработать изобретение. Но П. Н. Яблочков всю жизнь был плохим предпринимателем; его московская мастерская потерпела финансовый крах и ему угрожала долговая тюрьма. Спасая свое изобретение, он срочно переехал в Париж.

В Париже Яблочков познакомил со своей идеей крупного ученого и владельца завода по производству точных приборов Бреге, и уже 23 марта 1876 г. он получил патент на ставшую знаменитой «электрическую свечу».

Внешний вид электрической свечи показан на рис. 5.2, где видно, что в держателе с токоподводами укреплялись два параллельных угольных стержня, отделенных один от другого слоем каолина. В верхней части лампы была тонкая проводящая перемычка — запал, когда включали лампу перемычка сгорала, на ее месте возникала дуга и угли выгорали, уменьшаясь в размерах как стеариновая свеча.

русский свет>>. В том же 1876 г. он организовал компанию по производству систем освещения, в которой вел работу в качестве технического руководителя. Первой операцией компании было освещение универсального магазина «Лувр» в Париже, затем ипподрома и, пожалуй, самое эффектное — освещение улицы Оперы. Изобретатель теперь стал богатым человеком. Его изобретение совершало триумфальное шествие по всему миру: за Парижем последовало освещение моста Ватерлоо в Лондоне, Гаварской гавани, казарм и кораблей в Кронштадте, Большого театра в Петербурге.

Для внедрения своей системы в Петербурге Яблочков уехал из Парижа, уплатив компании все сбережения за право эксплуатации своих изобретений в России. Но деятельность новой компании оказалась неуспешной, да и время триумфа электрической свечи быстро кончилось, появились более удобные лампы накаливания. Яблочков пережил большие лишения, сопровождавшиеся моральными переживаниями, и умер у себя на родине, в Саратове, в возрасте всего 47 лет, оставив семью без средств.

Но вернемся снова к изобретениям Яблочкова. Одна электрическая свеча могла гореть около 2 часов; при установке нескольких свечей в специальном фонаре, оборудованном переключателем Для включения очередной свечи можно было обеспечить бесперебойное освещение в течение более длительного времени.

Изобретение электрической свечи способствовало внедрению в практику переменного тока. Электрическая техника предшествующего периода базировалась исключительно на постоянном токе (телеграфия, гальванотехника, минное дело). Дуговые электрические лампы с регуляторами также питались постоянным током. При этом положительный электрод сгорал быстрее отрицательно, го, поэтому его приходилось брать большего диаметра.

П. Н. Яблочков установил, что для питания свечи лучше применять переменный ток, в этом случае при электродах одинакового диаметра получалась вполне устойчивая дуга. В связи с тем, что осветительные установки по системе Яблочкова стали подключать к источникам переменного тока, заметно возрос спрос на генераторы переменного тока, которые раньше не находили практического применения. О значении электрической свечи в расширении производства электрических генераторов переменного тока можно судить по следующему примеру: если до появления электрической свечи завод Грамма выпускал в течение 1870—1875 гг. по несколько десятков машин в год, то за 1876 г. выпуск генераторов возрос почти до 1000 шт. Заводы изготовляли электрические генераторы, специально прея- назначенные для установок электрического освещения и даже мощность машин обозначалась по числу питаемых электрических свечей (например, «шестисвечная машина»).

Значительному развитию электротехники способствовала также и разработка Яблочковым нескольких весьма эффективных систем «дробления электрической энергии», обеспечивавших возможность включения в цепь, питаемую одним генератором, нескольких дуговых ламп.

Среди способов «дробления», предложенных Яблочковым, два получили практическое применение: секционирование обмотки якоря генератора (в результате получилось несколько независимых цеп^й, в которые включались свечи) и применение индукционных катушек (рис. 5.3). Первичные обмотки катушек включались последовательно в цепь, а во вторичную обмотку в зависимости от ее параметров могли подключаться одна, две и более свечей. Если первичная цепь питалась постоянным током, то предусматривалось включение в нее специального прерывателя для наведения ЭДС во вторичных обмотках катушек.

Из рис. 5.3 видно, что Яблочков использует индукционную катушку в качестве трансформатора. Схема интересна и тем, что в ней впервые получила свое оформление электрическая сеть с ее основными элементами: первичный двигатель — генератор — лилия передачи — трансформатор — приемник.

Но значение электрической свечи этим не исчерпывается. Изобретение дешевого приемника электрической энергии, доступного для широкого потребителя, потребовало решения ещё одной важнейшей электротехнической проблемы — централизации производства электрической энергии и ее распределении. Яблочков первым указал на то, что электрическая энергия должна распределяться подобно тому, как доставляются к потребителям газ и вода.

Дальнейший прогресс электрического освещения был связан с изобретением лампы накаливания, которая оказалась более удобным источником света, имеющим лучшие экономические и световые показатели.

Самая ранняя по времени лампа накаливания построена англичанином Деларю еще в 1809 г. (рис. 5.4). В этой лампе накаливалась платиновая спираль, находящегося в стеклянной трубке. Следующий шаг сделан в 1838 г., когда бельгиец Жобар стал накаливать угольные стержни в разреженном пространстве. Эта лампа была, конечно, дешевле, но срок ее службы был незначительным.

После 1840 г. предлагались многочисленные конструкции ламп накаливания: с телом накала из платины, иридия, угля или графита и т.д. В 1854 г. по улицам Нью-Йорка разъезжал немецкий эмигрант Гебель на повозке которого находились подзорная труба и лампа накаливания. Последняя служила для привлечения публики, которая приглашалась взглянуть через подзорную трубу на кольца Сатурна. Замечательным было то, что источником света в лампе Гебеля служило обугленное бамбуковое волокно. Нить была помешена в верхнюю часть закрытой барометрической трубки, т.е. в разреженное пространство. Медные проводники подходили к нити накала сквозь. стекло. Лампа Гебеля могла гореть в течение нескольких часов.

В 1860 г. изобретатель Сван (Англия) впервые применил для лампы накаливания обугленные полоски толстой бумаги или бристольского картона, накалявшиеся в вакууме.

В 1860 г. изобретатель Сван (Англия) впервые применил для лампы накаливания обугленные полоски толстой бумаги или бристольского картона, накалявшиеся в вакууме.

В 1870—1875 гг. развернулись работы русского отставного офицера Александра Николаевича Лодыгина (1847—1923). Он решил построить летательный аппарат тяжелее воздуха, приводящийся в движение электричеством ("электролет"). Вполне естественно, что освещаться этот аппарат должен был электричеством. Дуговая лампа по разным соображениям не подошла, и А. Н. Лодыгин стал конструировать лампу накаливания с тонким угольным стерженьком, заключенным в стеклянном баллоне (рис. 5.5). Стремясь увеличить время горения, Лодыгин предложил устанавливать несколько угольных стерженьков, расположенных так, чтобы при сгорании одного автоматически включался следующий.

Первая публичная демонстрация ламп Лодыгина состоялась а 1870 г., а в 1874 г. он получил русскую привилегию (авторское издательство) на свою лампу. Затем он запатентовал свое изобретение в нескольких странах Западной Европы. Постепенно он усовершенствовал лампы. Если первые лампы работал» 30- 40 мин, то со временем, когда он применил вакуумные колбы, срок службы увеличился до нескольких сотен часов. За изобретение лампы накаливания А. Н. Лодыгин был удостоен Ломоносовской премии Петербургской Академии наук.

Лодыгин, как и Яблочков, тоже был плохим предпринимателем, организовал товарищество для эксплуатации своего изобретения, оно увлеклось коммерческими операциями и развалилось, Лодыгин уехал во Францию искать более удачного места для своей работы. Он возвращался потом в Россию, снова уезжал. Предложил в 90-х годах в качестве тела накала в лампах вольфрамовую нить, и новые лампы Лодыгина демонстрировались на Парижской выставке 1900 г. В 1916 г. он уехал в США, где и умер в 1923 г.

Больше всего известности, почестей и сланы в связи с электрической лампой выпало на долю Эдисона. Но Эдисон не изобрел лампу. Он сделал нечто большее: Эдисон разработал во всех деталях систему электрического освещения н систему централизованного электроснабжения.

В 1879 г. Эдисон заинтересовался проблемой электрического освещения. Выходец из достаточно обеспеченной семьи голландских эмигрантов, будущий великий изобретатель не получил даже начального официального образования: через несколько месяцев занятий в школе он был признан ограниченным и неспособным учеником. Дальнейшим образованием он обязан своей матери, педагогу по профессии, и самостоятельным занятиям. С 12-летнего возраста он, как в свое время Фарадей, стал самостоятельно зарабатывать, продавая газеты и журналы. Некоторое время спустя он стал телеграфистом. К 1879 г. он был уже известен как изобретатель автоматического счетчика голосов, как автор усовершенствований в области многократной телеграфии и в конструкции телефонного аппарата Белла, как изобретатель фонографа.

Есть достаточно убедительные сведения о том, что Эдисон хорошо знал изобретения своих предшественников в области электрического освещения накаливанием, в том числе и работу А. Н. Лодыгина. Он находился также под впечатлением успехов «электрической свечи» Яблочкова. Впрочем, сам Эдисон любил по- вторять, что всегда, когда он хотел сделать что-то новое, он тщательно изучал все, что было сделано по данному предмету до него, к этому времени Эдисон имел уже прекрасную лабораторию в Менло- Парке (США) и способных помощников. Его эмиссары разъехались по всему миру в поисках наиболее подходящего растительного волокнистого материала для изготовления угольных нитей.

Эдисон сразу поставил перед собой две задачи: лампа должна создавать умеренную освещенность; каждая лампа должна гореть совершенно независимо от других. Так он пришел к выводу о необходимости иметь нить высокого сопротивления, что позволит включать лампы параллельно (а не последовательно, как до этого поступали с любыми электрическими лампами).

12 апреля 1879 г. Эдисон получил первый патент на лампу с платиновой спиралью высокого сопротивления, а затем — на лампы с угольными нитями (27 января 1980 г.). Эдисон разработал систему откачки баллонов, технологию крепления вводов и угольной нити. 1 января 1880 г. Эдисон устроил публичную демонстрацию в Менло-Парке.

Для того чтобы система освещения стала коммерческой, Эдисон должен был придумать множество устройств и элементов: цоколь и патрон (рис. 5.6), поворотный выключатель, плавкие предохранители, изолированные провода, крепящиеся на роликах, счетчик электрической энергии и, в заключение, построил в 1882 г; в Нью-Йорке на Пирльстрит первую центральную электростанцию. Эдисон превратил электрическую энергию в товар, продаваемый всем желающим, а электрическую установку— в систему централизованного электроснабжения. Это 6ь1Л первый в истории электротехники пример комплексного решения крупной проблемы, оказавший огромное влияние на развитие материальной и общей культуры человечества. В 1889 г. на Международной выставке в Париже чествовали двух самых знаменитых инженеров века — Эйфеля и Эдисона. В кафе на Эйфелевой башне был дан торжественный обед, на котором 71-летний композитор Шарль Гуно исполнил специально сочиненную торжественную кантату (собственноручно написанный экземпляр ее он преподнес жене и дочери Эдисона).

Уже в 80-е годы начинается быстрое развитие электрического освещения, все более расширяющееся массовое производство ламп накаливания, вызвавшее дальнейшее развитие электромашиностроительной промышленности, электроприборостроения, электроизоляционной техники и совершенствование способов производства и распределения электрической энергии.

Расширение области практического применения электроэнергии потребовало разработки электроизоляционных материалов. К 70-м годам XIX в. закладываются основы новых отраслей техники — кабельной и электроизоляционной. Начальный период развития кабельной техники тесно связан с работами по минной электротехнике и электромагнитному телеграфу. Первый подводный электрический кабель (Шиллинг, 1812 г.) представлял собой тонкую проволоку, покрытую двумя слоями изоляции (шелком и пенькой), причем первый слой (шелк) пропитывался специальным смолистым составом, на который затем навивалась пенька, а потом все снова пропитывалось тем же составом.

Первые подземные телеграфные кабели (Шиллинг, Якоби и яр ) изготавливались так же, провода изолировались одним или двумя слоями хлопчатобумажной пряжи с последующей пропиткой ее специальными составами (например, из воска, сала и канифоли). Защитной оболочкой служили стеклянные трубки, Уединенные резиновыми муфтами, или стальные гильзы; в отельных случаях стеклянные трубки закладывались в деревянные желоба (при подземной прокладке).

В начале 40-х годов XIX в. создаются специальные машины Для обвивки проводов пряжей, в качестве изоляционных материалов начинают применяться резина и гуттаперча. В 1848 г, ). Сименс изобрел пресс для бесшовного наложения на мед. ную жилу резиновой и гуттаперчевой изоляции. Каучук был известен уже давно, но изменение свойств при незначительных колебаниях температуры препятствовало применению его для изоляции. Только после внедрения вулканизации (Гудьир, 1839 г.) резина стала распространенным электроизоляционным материалом. В начале 50-х годов впервые был получен эбонит, используемый при изготовлении различных электрических приборов и устройств. Для воздушных линий связи и первых электропередач применяли изоляторы из стекла и фарфора.

Существенную роль в улучшении качества изоляции сыграло создание свинцового пресса (1879 г.), с помощью которого изолированный провод покрывался бесшовной свинцовой оболочкой. В 90-х годах все большее применение для силовых кабелей начинает получать многослойная пропитанная маслом бумажная изоляция.

5.2. Возникает потребность в электрических машинах переменного тока

Получение переменного тока никогда не вызывало принципиальных трудностей. Описанный в гл. 4 генератор Р. М. (1832 г.) был, как отмечалось, первым многополюсным синхронным генератором*, н все последующие работы в области электрических машин были направлены на изыскание наилучших конструкций коммутирующих устройств, т.е. на превращение генераторов переменного тока в генераторы постоянного тока.

Так как переменный ток долгое время не находил практического применения, то попытки сконструировать соответствующие генераторы до конца 70-х годов носили эпизодический характер. Обычно такие генераторы представляли собой машины постоянного тока, у которых коллектор заменялся двумя контактными кольцами. Так, в 1863 г. Уайльд разработал в качестве одного из вариантов машины с электромагнитами генератор переменного тока. Этот генератор внешне был очень похож на машину, описанную в гл. 4 (см. рис. 4.17), и отличался от нее лишь тем, что вместо коллектора, состоявшегося из двух пластин, имел два контактных кольца, Обмотка электромагнитов питалась от отдельного магнитоэлектрического генератора, укрепленного на ярме основной машины. 8 1867 г. Уайльд построил генератор переменного тока, который ис имел отдельного возбудителя.

Наиболее существенный толчок работам в области генераторов переменного тока дала электрическая свеча Яблочкова. Уже в 1878 г. Яблочков совместно с заводом Грамма разработал несколько однотипных конструкции генераторов переменного тока для питания 4, 6, 16 и 20 свечей, Например, в генераторе на 16 свечей кольцевой неподвижный якорь имел секционированную обмотку, секции которой образовывали четыре отдельных цепи по четыре катушки в каждой цепи. На валу машины вращались восемь полюсов, возбуждавшихся постоянным током, Таким образом, на каждый полюс приходилось по две катушки, индуктировавших токи, сдвинутые по фазе друг относительно друга на четверть периода. Катушки соединялись через одну так, чтобы токи в одной цепи совпадали по фазе. От каждой цепи питались четыре свечи. Этот генератор представлял собой двухфазную синхронную машину с электрически не связанными фазами.

Яблочков предложил и другие конструкции генераторов переменного тока, не сыгравшие заметной роли: генератор с возвратно-поступательным движением якоря (1876 г.) и индукторные генераторы (1877 и 1881 гг.).

Серьезные трудности на пути совершенствования генераторов переменного тока возникли из-за нагрева сердечников, которые до 80-х годов не шихтовались.

Таким образом, налицо две главные тенденции, определяющие развитие генераторов переменного тока: для увеличения мощности машины увеличивать число катушек якоря (та же тенденция, что и в машинах постоянного тока в 40—50-х годах); а для снижения потерь в сердечниках (и, следовательно, их нагрева) уменьшать объем стали в якоре (некоторые генераторы стали изготовляться с катушками, не имевшими стальных сердечников).

Указанные тенденции можно проиллюстрировать примерами наиболее типичных машин, построенных в 80-х годах.

Так, на рис. 5.7 показан генератор Сименса (1878 г.) с большим чистом катушек на статоре, питаемых от отдельного возбудителя, и катушками без стальных сердечников торе. Катушки ротора последовательно проходили между,. парами катушек статора, полярность которых чередовалась. Соединение катущекротора друг с другом было выполнено таким образом, чтобы ЭДС их складывались. Устранение стальных сердечников, естественно, увеличило магнитное сопротивление в машине, что снижало ее эффективность.

В качестве одной из наиболее крупных для своего времени машин переменного тока можно отметить генератор английского инженера Дж. Гордона (1882 г.).

Один из таких генераторов (рис. 5.8), установленных в 1885 г. на тепловой электростанции Паддингтон в Англии, был выполнен двухфазным с катушечными обмётками и предназначался так же, как и генератор Яблочкова- Грамма, для раздельного питания различных ламп. Машина имела мощность 115 кВт при напряжении 105 В и массу 18 т; паровой двигатель сообщал ей частоту вращения 146 об/мин. Генератор вырабатывал переменный ток с частотой 40 Гц; возбудитель приходил в движение от отдельной паровой машины.

Последний период в развитии генераторов переменного тока начинается в 90-х годах прошлого столетия, после того как возникло производство трехфазных машин с шихтованными сердеч- ццкзми и барабанными якорями.

Как известно, электрическая машина обратима. С этой т0чки зрения принципиальных трудностей для построения двигателей переменного тока не было. Уже в 1841 г. Ч. Уит- ст0н построил синхронный электродвигатель, основанный на 8зэимодействии постоянных магнитов и электромагнитов переменного тока.

Из-за отсутствия начального вращающего момента пуск всех однофазных синхронных двигателей был затруднен. Такие электродвигатели нуждались в дополнительных разгонных двигателях и поэтому не могли получить широкого распространения. Как на исторический казус укажем на систему электропривода, применявшуюся в Англии и Франции инженером С. Ц. Ферранти в конце 80-х годов: на вал каждого синхронного электродвигателя был посажен разгонный двигатель внутреннего сгорания или коллекторный двигатель переменного тока, по мере разгона главный двигатель втягивался в синхронизм и далее работал самостоятельно.

В сетях однофазного тока применялись коллекторные двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. При питании этих двигателей переменным током направление основного магнитного потока изменялось одновременно с изменением направления тока в якоре и, следовательно, вращающий момент имел постоянное направление. Венгерские инженеры М. Дери и О. Блати впервые предложили применять такие коллекторные однофазные двигатели в 1885 г. Од- вако широкого распространения эти двигатели тоже не нашли вследствие чрезмерного нагрева сердечников электромагните вихревыми токами и тяжелых условий коммутации, вызвавших сильное искрение на коллекторе. Эти недостатки частично устранялись применением дополнительных полюсов. однако они оказались неэффективными в пусковых условиях. Поэтому коллекторный однофазный двигатель нашел весьма ограниченную область применения. В настоящее время он используется главным образом для бытового электрозавода и на электрифицированных железных дорогах однофазного тока.

5.3. «Трансформаторные биты»

Восьмидесятые голы прошлого столетня пошли в историю тек-' никп под названием периода «трансформаторных битв». Такое необычное название они получили потому что изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов » пользу т-ременного тока. А настоящая битва шла между сторонниками систем постоянного н переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой 'централизованного производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния.

Схематическое изображение будущего трансформатора впервые появилось и 1831 г. в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своем приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжении н токов, то есть трансформирования переменного тока. Они демонстрировали индукцию при замыкании н размыкании цени постоянного тока.

U 1836 г. ирландский физик Николас Каллан (1799—1864 гг.) изобрел индукционную катушку. В 1838 г. это изобретение повторил американский изобретатель Чарлз Пендж, но наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803—1877), именем которого впоследствии стали называть индукционную катушку. Такие катушки предназначались для получение искрового разряда во вторичной цепи при прерывании постоянного тока в первичной цепи. Катушку Румкорфа применил для дистанционного взрывания мин Б. С. Якобп. В последней трети прошлого века индукционные катушки получили широкое применение и системах зажигания двигателей внутреннего сгораний.

П. Н. Яблочков отчетливо понял, роль индукционной катушки как средства электрического разделения цепей переменного тока. Даже самим фактом патентования системы «дробления света» во многих странах он как бы подчеркивал важность нового предложения. Во французском патенте № 115793 от 30 ноября 1876 г. он писал: «Предметом этого изобретения является распределение токов в целях производства электрического света, позволяющее получить, пользуясь цепью, питаемой одним единственным источником электричества, неопределенное число источников света,,.» И как бы отмежевываясь от привычных схем индукционных катушек, он указывает: «Если я применяю... электрический источник переменного тока, общее расположение остается неизменным, но прерыватель становится ненужным...»

Система «дробления света» П. Н. Яблочкова широко демонстрировалась два раза: на Парижской международной электрической выставке в 1881 г. и на Второй Петербургской электротехнической выставке в 1882 г* (где всю систему разработал и экспонировал препаратор Московского университета И. Ф. Усагин). Бобины, как их тогда называли, имели одинаковое число витков в первичной и вторичной обмотках, а стальной сердечник был разомкнутым и представлял собой стержень, на который наматывались обмотки.

В начале 80-х годов становилось все яснее, что система электроснабжения на постоянном токе не имеет перспектив. Из опыта эксплуатации дуговых источников света было установлено оптимальное напряжение ПО В. Радиус электроснабжения не превышал нескольких сотен метров. Попытки расширить границы района электроснабжения привели к рождению так называемой трехпроводной системы постоянного тока (110x2=220 В). Но основным направлением развития электроэнергетики уже в 80-х годах становится система переменного тока.

Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым сердечником для распределения электроэнергии явилась «система распределения электричества для производства света и двигательной силы», запатентованная во Франции в 1882 г. Голяром и Гиббсом. Трансформаторы Голяра и Гиббса предназначались уже не только для «дробления» энергии, но и для преобразования напряжения, т.е. имели коэффициент трансформации, отличный от единицы. Общий вид «вторичного генератора» (как его называли) изображен на рис. 5.9. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек 1, перечные обмотки которых соединялись последовательно. Вторичные обмотки катушек были секционированы и каждая секция "мела два вывода для подключения приемников. Заслуживают внимания выдвижные сердечники 2 катушек, с помощью которых регулировалось напряжение на вторичных обмотках. Трансформаторы с разомкнутым сердечником в 1883 г. устанавливаются на подстанциях Лондонского метрополитена, а в 1884 г. — в Турине (Италия).

В системах дугового освещения, как правило, регулировался ток в цепи последовательно включенных потребителей. Но после изобретения лампы накаливания и других приемников, для которых важно поддерживать постоянное напряжение, более целесообразным стало их параллельно включение. Современные трансформаторы имеют замкнутый магнитный сердечник, их первичные обмотки включаются параллельно. Но для схемы «дробления» энергии, предложенной Яблочковым, трансформаторы с разомкнутым сердечником вполне удовлетворяли техническим требованиям, при последовательном соединении первичных обмоток включение и выключение одних потребителей не оказывало существенного влияния на режим работы других. При параллельном включении приемников применение трансформаторов с разомкнутыми сердечниками становилось технически не оправданным. Поэтому понятно стремление сконструировать трансформаторы с замкнутой магнитной системой, которые обладают значительно лучшими характеристиками (меньший намагничивающий ток, а следовательно, меньшие потеря и больший КПД). Первые трансформаторы с замкнутым сердечником (рис. 5.10) были розданы в Англии 1884 г. братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. Сердечник этого трансформатора был набран из стальных полос или проводок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помешались, чередуясь, катушки высшего 2 и низшего 3 напряжений.

Впервые предложение о параллельном включении обмоток трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 г., но более всесторонне этот способ соединения был обоснован венгерским электротехником Максом Дери, который в 1885 г. получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов и показал преимущество такого включения. Независимо от него аналогичный патент в Англии получил С. Ц. Ферранти. Таковы предпосылки применения трансформаторов с замкнутым сердечником.

Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой, имевшего достаточно хорошие эксплуатационные показатели. Такой трансформатор в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) был разработан в 1885 г.

венгерскими электротехниками М. Дери (1854—1934 гг.), О. Блати (1860-1938 гг.) " К. Циперновским (1853—1942 гг.), впервые предложившими и сам термин «транс-Форматор*. В патентной заявке они отмечали важное значение замкнутого шихтованного сердечника, в особенности для мощных силовых трансформаторов. На рис. 5.11 изображены первые образцы кольцевого и броневого трансформаторов, а также общий вид серийного трансформатора системы Блати, Дери и Циперновского, выпускавшихся электромашиностроительным заводом в Будапеште фирмы «Ганц и К0 ». Эти трансформаторы содержали все основные элементы современных однофазных конструкций.

Венгерские инженеры нашли оптимальные соотношения между расходом меди и стали в трансформаторах и обеспечили своей продукции широкий сбыт на мировом электротехническом рынке, В частности, эта фирма осуществила в 1887 г. одну из первых в России установок переменного тока для освещения оперного театра в Одессе.

На территории завода «Ганц и К0», где сто лет назад создавали первый трансформатор, сегодня разместились корпуса завода «Ганц Моваг», выпускающего электропоезда и сложное электрооборудование для энергетики. На заводе есть музей, в котором главное место отведено истории создания трансформатора.

В 1885 г. фирмой «Вестингауз» был построен первый автотрансформатор, который предложил У. Стенли. В конце 80-х годов Д. Свинбсрн предложил масляное охлаждение трансформаторов. Первые системы электроснабжения переменным током рождались в условиях ожесточенной конкурентной борьбы электротехнических фирм, причем эта борьба нередко принимала уродливые формы. За спорящими учеными стояли крупные фирмы. Так, непримиримым борцом против переменного тока в 80-х годах выступил знаменитый Эдисон. А инженер фирмы Эдисона Г. Браун, стремясь заполучить заказ на новый вид продукции, в пылу полемики вызвал публично соперника из фирмы «Вестингауз» на дуэль на электрических стульях. Исход дуэли должен был решить, какой же стул делать: на постоянном или на переменном токе.

Острота и горький привкус борьбы эпохи трансформаторных битв звучат в следующих словах нашего физика А. Г. Столетова, опубликованных в его сообщении в журнале «Электричество (1889, №13—14): «Невольно вспоминается та травля, которой подвергались трансформаторы в нашем отечестве, по поводу и давнего проекта фирмы «Ганц и К0» осветить часть Москвы. И ученых докладах и в газетных статьях система обличалась, как нечто еретическое, ненациональное и, безусловно, гибельное; доказывалось, что трансформаторы начисто запрещены во всех порядочных государствах Запада и терпятся разве в каком-нибудь Италии, падкой на дешевизну. Защитники «национальности в электричестве» забывали, что первую идею о трансформации тока в технике сами иностранцы приписывают Яблочкову..., что на Всероссийской выставке 1882 года в Москве ранее Голларда, Гиббса и др., весьма определенно демонстрировал г. Усагин, за что награжден медалью».

5.4. Поиски путей передачи электроэнергии на большие расстояния

Водяное колесо — символ докапиталистического производства — вызвало к жизни проблему распределения энергии от центрального двигателя к отдельным машинам и станкам. Но тогда могли существовать только механические средства передачи энергии: штанги, тяги, канаты. При необходимости передачи энергии на десятки и сотни метров стали применяться приводные ремни. Возникла трансмиссионная передача, которая надолго пережила энергетику водяного колеса и хорошо послужила человечеству в эпоху пара, а частично сохранила свои позиции и на первых этапах развития электропривода.

Опыты использования электромагнитного телеграфа привели к мысли о возможности передачи по проводам более значительных количеств энергии. Уже в 40—50-х гг. XIX в. в США, Италии и других странах высказываются идеи о создании электрической железной дороги с передачей энергии на расстояние. Однако всеобщую известность получили опыты французского электрика Ипполита Фонтена.

Здесь уместно отметить, что исключительно большую роль в пропаганде научно-технических знаний и, следовательно, в научно-техническом прогрессе общества сыграли международные и национальные выставки. Первая промышленно-художественная выставка состоялась в Лондоне в 1756 г. Основное место на ней занимали вестники промышленного переворота — текстильные машины. В России первая выставка отечественной промышленности была открыта в 1829 г. в Петербурге. Первая в мире электротехническая выставка была открыта в марте 1880 г. в Петербурге, а первая международная электротехническая выставка — в 1881 г. 8 Париже.

В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой и начинается история электропередачи. На этой выставке Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин. Есть различные версии, объясняющие причину, побудившую Фонтена включить между генератором и двигателем барабан с кабелем длиной несколько больше 1 км. По одной из них он стремился уменьшить мощность двигателя, приводившего в действие насос искусственного декоративного водопада, вода которого выплескивалась за пределы бассейна. Этим опытом была продемонстрирована реальная возможность передачи электроэнергии на расстояние (пусть вначале это был всего один километр). Вместе с тем сам Фонтен не был убежден в экономической целесообразности электропередачи, так как при включении соединительного кабеля он получил значительное снижение мощности двигателя, то есть большие потери энергии в кабеле. Вот что писал Фонтен два года спустя после опытов в Вене: «Тогда, как и теперь, я не верю в возможность электрической передачи больших мощностей на большие расстояния; электрические железные дороги мне казались и кажутся и теперь решением, применять которое можно посоветовать только в совершенно исключительных случаях». Фонтен вновь, как и С электрическим освещением, оказался плохим пророком.

Как известно, потери в линии зависят от напряжения, удельного сопротивления провода и его сечения. Снижение удельного сопротивления проводов практически неосуществимо, так как медь, ставшая основным материалом для изготовления проводов, имеет предельно малое удельное сопротивление. Лишь в настоящее время ведутся теоретические и экспериментальные работы по снижению сопротивления линий электропередач с использованием явления сверхпроводимости (криогенные линии электропередачи). Следовательно, имелись только два пути для снижения потерь в линии: увеличение сечения проводов или повышение напряжения.

В 70-х годах был исследован первый путь, так как увеличение сечения проводников представлялось мероприятием, по-видимому более естественным и технически легче осуществимым по Сравнению с повышением напряжения. В 1874 г. русский военный инженер Федор Аполлокович Пироцкий (1845—1898 год пришел к выводу об экономической целесообразности производства электрической энергии в тех местах, где она может быть дешево получена благодаря наличию топлива или гидравлической энергии и передачи ее по линии к более или менее отдаленному месту потребления. В том же году он приступил к опытам передачи энергии на артиллерийском полигоне Волкова паля (около Петербурга), использовав электрическую машину Грамма. Дальность передачи в опытах Пироцкого составляла сначала более 200 м, а затем была увеличена примерно до 1 км.

Для уменьшения потерь в линии Пироцкий предлагал использовать в качестве проводников железнодорожные рельсы, сечение которых более чем в 600 раз превышало сечение обыкновенного телеграфного провода. Стремясь проверить свои в: шоды, он в конце 1875 г. провел опыты передачи электроэнергии по рельсам бездействовавшей ветки Сестрорецкой железной дороги длиной около 3,5 км. Оба рельса изолировались от земли, один из них служил прямым, второй — обратным проводом. Электрическая энергия передавалась от небольшого генератора Грамма к электродвигателю, удаленному на расстояние около 1 км.

Необходимо отметить, что Пироцкий был не единственным электротехником, ставшим на путь увеличения сечения проводов. Так, например, В. Сименс, посетив в 1876 г. Ниагарский водопад, сумел правильно оценить энергетические возможности его использования, но утверждал, что для передачи энергии водопада на расстояние 50 км потребуется проводник диаметром 75 мм. Иными словами, как заявил Сименс, в изготовление проводов придется загнать целый медный рудник. Подобные выводы являлись наглядным выражением уровня познаний в области электротехники в 70-х годах XIX в.

Несмотря на нерациональность практического направления, избранного Пироцким. его опыты привлекли внимание к вопросам электропередачи вообще н вызвали ряд новых исследований, приведших к выявлению правильного пути для решения этой проблемы. Предложение же Пироцкого об использовании железнодорожных рельсов для передачи электрической энергии на расстояние нашло свое применение уже при разработке первых проектов городских электрических железных дорог.

Другой путь решения проблем передачи электрической энергии, основанный на повышении напряжения, длительное время осмысливался теоретически. Здесь можно упомянуть исследование классической задачи из теории цепей о передаче энергии от источника к нагрузке, выполненное в 1877 г. французским академиком Э. Маскаром, но не доведенное до ясных практических выводов. Наиболее обстоятельное исследование этого вопроса выполнили в 1880 г. независимо друг от друга французский инженер (впоследствии академик) Марсель Депре (1843—1918 гг.) и профессор физики Петербургского лесного института Дмитрий Александрович Лачинов (1842—1902).

В марте 1880 г. в протоколах Парижской Академии наук был опубликован доклад М. Депре «О коэффициенте полезного действия электрических двигателей и об измерении количества энергии в электрической цепи». Автор доклада — крупный специалист в области электротехники. Он вошел в историю как изобретатель определенных систем амперметра, ваттметра, апериодического гальванометра, принципа смешанного (компаундного) возбуждения электрических машин, электромагнитного молота (двигателя возвратно-поступательного движения) и электрической системы синхронной связи движений.

В интересующем нас докладе Депре математически доказывал, что КПД установки, состоявшей из электродвигателя и линии передачи, не зависит от сопротивления самой линии. Такой вывод показался Депре парадоксальным, так как ему вначале не удалось установить, что увеличение сопротивления линии не влияет на эффективность электропередачи только при определенном условии, а именно — при увеличении напряжения передачи.

Эти условия впервые были указаны проф. Д. А. Лачиновым в статье «Электромеханическая работа», опубликованной в июне 1880 г. в первом номере журнала «Электричество». На основе математических выкладок Лачинов показал, что в электропередаче «полезное действие не зависит от расстояния» лишь при условия увеличения скорости вращения генератора (то есть при повышении напряжения в линии, так как ЭДС, развиваемая генератором, пропорциональна частоте его вращения). Лачинов также установил количественное соотношение между параметрами линии передачи, доказав, что для сохранения КПД передачи при увеличений сопротивления линии в n раз, необходимо увеличить частоту вращения генератора в V раз: «Если, например, — писал Лачинов, — увеличим R в 100 раз, то при передаче того же числа лошадиных сил скорость будет десятерная». К подобным же выводам лришел год спустя М. Депре. В 1882 г. Депре строит первую линию электропередачи Мисбах — Мюнхен протяженностью 57 км. На одном конце опытной линии в Мисбахе была установлена паровая машина, приводившая в действие генератор постоянного тока мощностью 3 л.с, мвавший ток напряжением 1,5—2 кВ (рис. 5.12). Энергия передавалась по стальным телеграфным проводам диаметром 4,5 мм на территорию выставки в Мюнхене, где была установлена такая же машина, работавшая в режиме электродвигателя и приводившая в действие насос для искусственного водопада. Хотя этот первый опыт и не дал достаточно благоприятных технических результатов (КПД передачи не превосходил 25 % ), его значение нельзя было недооценивать: электропередача Мисбах — Мюнхен явилась отправным пунктом для дальнейших работ по развитию методов и средств передачи электроэнергии на расстояние.

Обратим внимание на любопытный факт. Теория телеграфных линий была разработана достаточно хорошо и было известно, что наибольший эффект в работе приемного устройства достигается когда, когда его сопротивление равно внутреннему сопротивлению источника энергии вместе с сопротивлением соединительных проводов (согласованный режим). Но при этом теоретический всей установки составляет 50%.

Но то, что целесообразно для «слаботочной» техники, становится нецелесообразным для «сильноточной», то есть энергетической техники. В последнем случае важен экономический эффект, и следует всемерно повышать в ущерб количеству передаваемо^ энергии. Это обстоятельство длительное время оказывалось труднодоступным для понимания, и многие даже крупные специалисты (в том числе Фонтен, позднее Феррарис и другие) теряли перспективу в научно-технических поисках и порой прекращали работу лишь потому, что не могли освободиться от привычных рамок теории слаботочных цепей.

Высокую оценку работам Депре дал Энгельс. Уже в этой начальной стадии он усмотрел не только зародыш будущего освобождения промышленности «почти от всех местных границ» и возможности использования даже самых отдаленных гидравлических ресурсов, но и указал на важные социальные последствия решения задачи передачи энергии.

В 1885 г. были проведены новые опыты — на расстоянии 56 га между Кремлем и Парижем. В качестве генераторов постоянного тока высокого напряжения использовались специально построенные машины, дававшие напряжение до 6 кВ. Масса такой машины была около 70 т, мощность — около 50 л.с, КПД передачи около 45 %.

Наряду с опытными установками для передачи электрической энергии на расстояние в эти годы были осуществлены единичные установки передачи электроэнергии для промышленного использования (с КПД до 75 %).

Тем не менее, попытки решить проблему электропередачи на постоянном токе, осуществленные в 80-х годах, не принесли желаемых результатов. При этом важно подчеркнуть возникшие противоречие. С одной стороны, практика проектирования и производства электрических машин и аппаратов постоянного тока получила уже значительное развитие, двигатели постоянного тока обладали хорошими рабочими характеристиками, отвечавшие большинству требований промышленности. С этой точки зрения не было серьезных препятствий к тому, чтобы приступить к широкой электрификации станочного парка промышленности. Но с другой стороны, широкая электрификация промышленности могла быть осуществлена в больших масштабах только при централизованном производстве электроэнергии, а следовательно, только при обеспечении передачи электроэнергии на значительные растения. Но с другой стороны, широкая электрификация промышленности могла быть осуществлена в больших масштабах только при централизованном производстве электроэнергии, а следовательно, только при обеспечении передачи электроэнергии на значительные растения.

Однако для передачи энергии требовалось получить высокие напряжения, а технические возможности того времени не позволяли строить генераторы постоянного высокого напряжения; примером этого могут служить машины Депре, которые часто выходили из строя из-за порчи изоляции. Вообще говоря, в любом в случае возможности передачи энергии при напряжении генератора ограничены сравнительно низкими пределами. Кроме этого, электроэнергию постоянного высокого напряжения нелегко было использовать потребителям, нужно было строить двигатель — генераторную установку для преобразования высокого напряжения низкое.

Еще один путь использования постоянного тока для электропередачи был намечен в основополагающей работе Д. А. Лачинова. предлагал для повышения напряжения соединить последовательно по нескольку машин на каждом конце линии. В этом случае каждая в отдельности машина могла быть рассчитана на более низкое напряжение, а следовательно, могла быть более надежной. Фонтен первым реализовал практически эту идею, осуществив в 1886 г. передачу, в которой со стороны генератора работали 4 последовательно соединенные машины (по 1500 В), т.е. получил те же 6 кВ, что и у Депре, а со стороны приемника — 3 двигателя на суммарную мощность около 50 л.с. Двигатели могли использоваться непосредственно для привода исполнительных механизмов, могли вращать валы генераторов низкого напряжения, пригодных для целей освещения; КПД этой установки достигал 52 %. Позднее эта идея о последовательном включении генераторов была развита электропередачах по системе Р. Тюри.

Трудности, связанные с электропередачей на постоянном токе, "направили мысли ученых на разработку теории и техники переменного тока.

Когда основные элементы техники переменного тока (генераторы, трансформаторы) были разработаны, начались попытки осуществить промышленную передачу энергии на переменном токе. В 1883 г. Л. Голяр осуществил передачу мощности 20 л.с. на расстояние 23 км для питания осветительных установок Лондонского метрополитена. Трансформаторы повышали напряжение до 1500 В. На Туринской выставке в следующем году Голяр осуществил передачу мощности примерно 40 л.с. на 40 км при напряжении 2000 В.

Однако во второй половине 80-х г. уже возникла и очень беспокоила инженеров и ученых задача включения двигательной нагрузки в сеть электростанций. Таким образом, и при передаче электроэнергии однофазным переменным током возникло противоречие не менее серьезное, чем при электропередаче постоянным током. Напряжение однофазного переменного тока можно легко повышать и понижать с помощью трансформаторов практически в любых желаемых пределах. Следовательно, для передачи электроэнергии затруднений не было. Но однофазные двигатели переменного тока имели совершенно неприемлемые для целей практики характеристики. В частности, они, как уже говорилось, либо вообще не имели пускового момента (синхронные двигатели), либо пускались с очень большим трудом из-за тяжелых условий коммутации тока (коллекторные двигатели). Поэтому сфера применения однофазного тока должна была ограничиваться почти исключительно электрическим освещением, что, конечно, не могло удовлетворить требованиям промышленности.

5.5. Электроэнергия становиться товаром. Ранние электростанции

Электростанции, под которыми понимают фабрики по производству электрической энергии, подлежащей распределению между различными потребителями, появились не сразу. В 70-х и начале 80-х годов прошлого столетия место производства электроэнергии не было отделено от места потребления.

Электрические станции, обеспечивавшие электроэнергией ограниченное число потребителей, назывались блок-станциями (не путать с современным понятием блок-станций, под которым некоторые авторы понимают фабрично-заводские теплоэлектростали). Такие станции иногда называли «домовыми».

В связи с трудностями регулировки системы дугового освещения на первых порах строились специализированные блок-станции: одни для дуговых ламп, другие — для ламп накаливания. Иногда на одной и той же станции генераторы разделяли на две соответствующие группы.

Развитие первых электростанций было сопряжено с преодолением трудностей не только научно-технического характера. Так, городские власти запрещали сооружение воздушных линий, не желая портить внешний вид города. Конкурирующие газовые компании всячески подчеркивали действительные и мнимые недостатки нового вида освещения.

На электрических блок-станциях, строившихся в конце 70-х и в начале 80-х годов прошлого столетия, в качестве первичных двигателей применялись в основном поршневые паровые машины. В отдельных случаях использовались двигатели внутреннего сгорания, в то время являвшиеся новинкой. Для удешевления паросиловой части блок-станций широко применялись локомобили. От первичного двигателя к электрическому генератору делалась ременная передача, позволявшая приводить в движение быстроходные электрические генераторы от сравнительно тихоходных паровых машин, имевших частоту вращения не более 200 об/мин. Обычно один паровой двигатель приводил в действие 1—3 генератора; поэтому на крупных блок-станциях того времени устанавливались несколько паровых машин или локомобилей. Для регулировки натяжения ремней электрические генераторы монтировались на салазках. На рис. 5.13 показан вид «домовой» электростанции.

Впервые блок-станции были построены в Париже для освещения улицы Оперы. В России первой установкой такого рода явилась станция для освещения Литейного моста в Петербурге, созданная в 1879 году при участии П. Н. Яблочкова. С конца 1881 г. возникают блок-станции, в сети которых включались как дуговые лампы, так и лампы накаливания.

Однако идея централизованного производства электроэнергии была настолько экономически оправданной и настолько соответствовала тенденции концентрации промышленного производства, что первые центральные электростанции возникли уже в середине 80-х годов и быстро вытеснили блок-станции. В связи с тем, что в начале 80-х годов массовыми потребителями электроэнергии могли стать только источники света, первые центральные электростанции проектировались как правило для питания осветительной нагрузки и вырабатывали постоянный ток.

В 1881 г. несколько предприимчивых американских финансистов под впечатлением успеха, которым сопровождалась демонстрация ламп накаливания, заключили соглашение с Эдисоном и приступили к сооружению первой в мире центральной электростанции (на Пирль-стрит в Нью-Йорке). В сентябре 1882 г. эта электростанция была сдана в эксплуатацию (рис. 5.14). В машинном зале станции (рис.5.15) было установлено шесть генераторов Эдисона.

Мощность каждого генератора составляла около 90 кВт, а общая мощность электростанции превышала 500 кВт. Здание станции и ее оборудование были спроектированы весьма целесообразно, так что в дальнейшем при строительстве новых электростанций развивались многие из тех принципов, которые были предложены Эдисоном. Так, генераторы станций имели искусственное охлаждение и соединялись непосредственно с двигателем. Напряжение регулировалось автоматически. На станции осуществлялись механическая подача топлива в котельную и автоматическое удаление золы и шлака. Защита оборудования от токов короткого замыкания осуществлялась плавкими предохранителями, а магистральные линии были кабельными. Станция снабжала электроэнергией обширный по тому времени район площадью 2,5 км2. Вскоре в Нью-Йорке было построено еще несколько станций.

Исходное напряжение первых электростанций, от которого впоследствии были произведены другие, образующие известную шкалу напряжений, сложилось исторически. Дело в том, что в период исключительного распространения дугового электрического освещения эмпирически было установлено, что наиболее подходящим для горения дуги является напряжение 45 В. Чтобы уменьшить токи короткого замыкания, которые возникали в момент зажигания ламп (при соприкосновении углей), и для более устойчивого горения дуги включали последовательно с дуговой лампой балластный резистор. Так же эмпирически было найдено, что сопротивление балластного резистора должно быть таким, чтобы падение напряжения на нем при нормальной работе составляло примерно 20 В. Таким образом, общее напряжение в установках постоянного тока сначала составляло 65 В, и это напряжение применялось долгое время. Однако часто в одну цепь включали последовательно две дуговые лампы, для работы которых требовалось 2x45 = 90 В, а если к этому напряжению прибавить еще 20 В, приходящиеся на сопротивление балластного резистора, то получится напряжение 110 В. Это напряжение почти повсеместно было принято в качестве стандартного, и именно оно открывает современную шкалу напряжений, хотя причина выбора давно забыта.

Уже при проектировании первых центральных электростанций столкнулись с трудностями, которые в достаточной степени не были преодолены в течение всего периода господства техники постоянного тока. Радиус электроснабжения определяется допустимыми потерями напряжения в электрической сети, которые для данной сети тем меньше, чем выше напряжение. Именно эти обстоятельства заставляли строить электростанции в центральных районах города, что существенно затрудняло не только обеспечение водой и топливом, но и удорожало стоимость земельных участков для строительства станций, так как земля в центре города была чрезвычайно дорога. Этим в частности объясняется необычный вид нью-йоркских станций, на которых оборудование располагалось на многих этажах. Положение осложнялось еще и тем, что на первых электростанциях приходилось размещать большое число котлов, паропроизводительность которых не соответствовала новым требованиям, предъявленным электроэнергетикой.

Не менее удивился бы наш современник, увидев первые петербургские электростанции, которые обслуживали район Невское проспекта. В начале 80-х годов они размещались на баржах, закрепленных у причалов на реках Мойке и Фонтанке (рис. 5.16).

Строители исходили из соображений дешевого водоснабжения, кроме того, при таком решении не нужно было покупать земельные участки, близкие к потребителю.

В 1886 г. в Петербурге было учреждено акционерное «Общество электрического освещения 1886 г.» (сокращенно называлось «Общество 1886 г.»), которое приобрело станции на реках Мойке и Фонтанке и построило еще две: у Казанского собора и на Инженерной площади. Мощность каждой из этих станций едва превышала 200 кВт.

В Москве первая центральная электростанция (Георгиевская) была построена в 1886 г. тоже в центре города, на углу Большой Дмитровки (ныне Пушкинская ул.) и Георгиевского переулка. Ее энергия использовалась для освещения прилегающего района. Мощность станции составляла 400 кВт.

Ограниченные возможности расширения радиуса электроснабжения привели к тому, что удовлетворить спрос на электроэнергию со временем становилось все труднее. Так, в Петербурге и Москве к середине 90-х годов возможности присоединения новой нагрузки к существующим станциям были исчерпаны и встал вопрос об изменении схем сети или даже об изменении рода тока.

На центральных станциях с ростом их мощности локомобили, применявшиеся в качестве первичных двигателей блок-станций, постепенно вытеснялись стационарными машинами. Мощность этих машин составляла 100—300 л.с, частота вращения вала была относительно невелика (100—200 об/мнн>, что привело к необходимости ввести между машиной и генератором ременную или канатную передачу.

В котельной ранних тепловых электростанций устанавливались жаротрубные котлы, однако вскоре в связи с ростом мощности потребовались котлы более высокой паропроизводитсльности — водотрубные паровые. В конце XIX и начале XX вв. преимущественное распространение в котельных зарубежных электростанций подучили котлы Бабкок-Вилькокс, а в России — котлы системы Шухова.

Основным топливом котельных с ручной загрузкой служил уголь, сжигавшийся на плоских колосниках. Расход угля при таком способе сжигания и отсутствии экономайзеров, подогрева воздуха и при плохой изоляции в 3—4 раза превышал расходы современных станций.

Рост потребностей в электроэнергии эффективно стимулировал повышение производительности и экономичности тепловой части электрических станций. Прежде всего следует отметить решительный поворот от поршневых паровых машин к паровым турбинам. Первая паровая турбина на электростанциях России была установлена в 1891 г. в Петербурге (станция на реке Фонтанке) За год до этого испытание турбины было проведено на станции! расположенной на реке Мойке.

В рассматриваемый период гидроатектростанции строились редко в связи с трудностями передачи электроэнергии на большие расстояния.

Выше уже отмечался наиболее существенный недостаток электроснабжения постоянным током — стишком малая площадь района, которая может обслуживаться центральной электростанцией. Удаленность нагрузки не превышала нескольких сотен метров. Электростанции — предприятия стремились расширить круг потребителей своего товара — электроэнергии. Этим объясняются настойчивые поиски путей увеличения площади электроснабжения при условии сохранения уже построенных станций постоянного тока. Было найдено несколько путей увеличения радиуса распределения энергии.

Первая идея, не получившая заметного распространения, касалась понижения напряжения электрических ламп, подключавшихся в конце линии. Однако расчеты показали, что при протяженности сети более 1,5 км экономически выгодней было построить новую электростанцию.

Другое решение, которое могло во многих случаях удовлетворить потребность, состояло и изменении схемы сети, переход от двухпроводных сетей к многопроходным, т.е. фактически к повышению напряжении.

Трехпроводная система распределения электроэнергии была предложена н 1882 г. Дж. Гопкинсоном и независимо от него Т. Эдисоном. При этой системе генераторы на электростанции соединялись последовательно и от обшей точки шел нейтральный или компенсационный провод. При этом обычные лампы сохранялись. Они включались как правило между рабочими и нейтральным проколами, а двигатели для сохранения симметрии нагрузки можно было включать на повышенное напряжение (220 В). Если нагрузка н обеих ветвях трехпроноднная системы была одинаковой, то в нейтральном проводе тока не было. В других случаях в нейтральном проводе появлялся ток, который обычно был много меньше рабочего тока. Последнее обстоятельство позволяло выбирать сечение нейтрального провода меньшим (обычно 1/2 или 1/3 сечения рабочего провода). Не следует упускать из виду, что сечение рабочих проводов при этом тоже уменьшалось по сравнению с сечением проводе, в двухпроводной системе. Это объяснялось тем, что при увеличении напряжения вдвое ток при той же мощности вдвое уменьшался, а потери, пропорциональные квадрату тока, снижались вчетверо. Практическими результатами введения трехпроводной системы явилось, во-первых, увеличение радиуса электроснабжения примерно до 1200 м, во-вторых, относительная экономия меди (при всех прочих одинаковых условиях расход меди при трехпроводной системе был практически вдвое меньше, чем при двухпроводной).

Для регулирования напряжения в ветвях трехпроводной сети применялись различные устройства: регулировочные дополнительные генераторы, делители напряжения, в частности получившие значительное распространение делители напряжения Доливо-Добровольского, аккумуляторные батареи. Трехпроводная система широко применялась как в России, так и за рубежом. Она сохранилась вплоть до 20-х годов нашего века, а в отдельных Случаях применялась и позднее.

Максимальный вариант многопроводных систем — пятипроводная сеть постоянного тока, в которой применялись четыре последовательно включенных генератора и напряжение увеличивалось вчетверо. Радиус электроснабжения возрастал до 1500 м. Однако сравнительно незначительное увеличение радиуса электроснабжения достигалось в этом случае за счет существенного усложнения сети, повышения напряжения до опасных пределов, усложнения регулирования равномерности нагрузки отдельных ветвей. Поэтому пятипроводная система не получила широкого применения, хотя ее автор В. Сименс предполагал, что пятипроводная система будете успехом конкурировать с системами переменного тока.

Третий путь увеличения радиуса электроснабжения предполагал сооружение аккумуляторных подстанций. Аккумуляторные батареи были в то время обязательным дополнением каждой электростанции. Они покрывали пики нагрузок. Заряжаясь в дневные и поздние ночные часы, они служили резервом. Аккумуляторные батареи так же, как и на. современных электростанциях (где, впрочем, эти батареи выполняют иные функции — питание цепей управления, защиты, автоматики и аварийного освещения), размещались в специальных обширных помещениях.

Для увеличения радиуса электроснабжения аккумуляторные батареи устанавливались на подстанциях в двухпроводных сетях постоянного тока. Эти подстанции сооружались вблизи отдельных потребителей. Группы аккумуляторных батарей, соединенные последовательно, заряжались от центральной станции при двойном напряжении, а при параллельном соединении они питали местную нагрузку.

Сети с аккумуляторными подстанциями получили некоторое распространение. В Москве, например, была построена в 1892 г. аккумуляторная подстанция в Верхних торговых рядах (ныне ГУМ), находившаяся на расстоянии 1385 м от Георгиевской центральной станции. На этой подстанции были установлены аккумуляторы, питавшие около 2000 ламп накаливания.

В последние два десятилетия прошлого века было построено много электростанций постоянного тока, и они долгое время давали значительную долю общей выработки электроэнергии. Мощность таких электростанций редко превышала 500 кВт, агрегаты обычно имели мощность до 100 кВт.

Все возможности увеличения радиуса электроснабжения при постоянном токе довольно быстро были исчерпаны. Многопроводные сети и сети с аккумуляторными подстанциями могли еще удовлетворять потребности малых и средних городов, но совершенно не отвечали нуждам крупного города.

В 80-х годах начинают сооружаться станции переменного тока, выгодность которых с точки зрения увеличения радиуса электроснабжения была бесспорной. Если не считать блок-станций переменного тока, построенных в Англии в 1882—1883 гг., когда появились трансформаторы Голяра и Гиббса, то, по-видимому, первой постоянно действовавшей электростанцией переменного тока можно считать станцию Гровнерской галереи (Лондон). На этой станции, пущенной в эксплуатацию в 1884 г., были установлены два генератора переменного тока Сименса, которые через последовательно включенные трансформаторы Голяра и Гиббса работали на освещение галереи. Недостатки последовательного включения трансформаторов и, в частности, трудности поддержания постоянства тока были выявлены довольно быстро, и в 1886 г. эта станция была реконструирована по проекту С. Ц. Ферранти. Генераторы Сименса были заменены машинами конструкции Ферранти каждая мощностью 1000 кВт с напряжением на зажимах 2,5 кВ. Трансформаторы, изготовленные по проекту Ферранти, включались в цепь параллельно и служили для снижения напряжения в непосредственной близости от потребителей.

В 1889—1890 гг. Ферранти вновь вернулся к проблеме электроснабжения Лондона. На этот раз была поставлена задача обеспечить электроэнергией весь район лондонского Сити. Но поскольку компания, финансировавшая работы, не соглашалась оплатить высокую стоимость земельного участка в центре города, Ферранти выбрал место для новой центральной электростанции в одном из предместий Лондона, в Дептфорде, находящемся в 12 км от Сити. Построить электростанцию на таком большом расстоянии от места потребления электроэнергии можно было только при условии, что зона будет вырабатывать переменный ток. При сооружении этой Установки были применены мощные по тому времени машины высокого напряжения. Были установлены генераторы мощностью по 1000 л.с. с напряжением 10 кВ, причем в отличие от старых генераторов, которые приводились в движение от паровой машины при помощи канатной передачи, новые генераторы были непосредственно соединены с быстроходными вертикальными паровыми машинами. Частота вращении вала паровых поршневых двигателей нее же сильно отставала от нормальной скорости электрогенераторов. Этим в частности объясняется своеобразная конструкция электрических генераторов того времени, они имели большие диаметры и малые длины. Такие же в общем соотношения между диаметром и длиной машины сохранились и в настоящее время на nupoiчаицпях с относительно тихоходными водяными проймами в качестве первичного двигателя. Общая мощность Деш-форлской станции составляла около 3000 кВт. На четырех городских подстанциях, питавшихся по четырем магистральным кабельным линиям, напряжение понижалось до 2400 В), а затем уже у потребителей (в домах) напряжение понижалось до 100 В.

Примером крупной гидростанции однофазного тока, питавшей осветительную нагрузку, может служить станция, построенная в 1889 г, на водопаде вблизи Портленда (США). На этой станции гидравлические двигатели приводили в действие восемь однофазных генераторов общей мощностью 720 кВт. Кроме того, на станции были установлены 11 генераторов, предназначенных специально для питания дуговых ламп (по 100 ламп на каждый генератор). Энергия этой станции передавалась на расстояние 14 миль в Портленд.

Характерная особенность первых электростанции неременного тока — изолированная работа отдельных машин. Синхронизация генераторов еще не производилась и от каждой машины шла отдельная цепь к потребителям. Легко понять, насколько неэкономичными при таких условиях оказывались электрические сети, на сооружение которых расходовались колоссальные количества меди и изоляторов.

В России крупнейшие станции однофазного тока были сооружены в конце 80-х и начале 90-х годов. Первая центральная электростанция построена венгерской фирмой «Ганц и К0» в Одессе в 1887 г. Основным потребителем энергии была система электрического освещения нового театра. Эта электростанция представляла собой прогрессивное для своего времени сооружение. Она имела 4 водотрубных котла общей производительностью 5 т пара в час, а также два синхронных генератора общей мощностью 160 кВт при напряжении на зажимах 2 кВ и частоте 50 Гц. От распределительного шита энергия поступала в линию длиной 2,5 км, ведущую к трансформаторной подстанции театра, где напряжение понижалось до 60 В (на которое были рассчитаны лампы накаливания). Оборудование электростанции было столь совершенным для своею времени, что, несмотря на то, что топливом служил привозной английский уголь, стоимость электроэнергии была ниже, чем на более поздних петербургских и московских электростанциях. Расход топлива составлял 3,4 кг/кВт ч (на петербургских электростанциях — 3,9—5,4 кг/кВт' ч). В том же году началась эксплуатация электростанции постоянного тока в Царском Селе (ныне г. Пушкин). Протяженность воздушной сети в Царском Селе уже в 1887 г. была около 64 км, тогда как два года спустя суммарная кабельная сеть «Общества 1886 г.» в Москве и Петербурге, составляла только 115 км. В 1890 г. Царскосельская станция и сеть были реконструированы и переведены на однофазный переменный ток напряжением 2 кВ. По свидетельству современников, Царское Село было первым городом в Европе, который был освещен исключительно электричеством, Крупнейшей в России электростанцией однофазного тока была станция на Васильевском острове в Петербурге, построенная в 1894 г. инженером Н. В. Смирновым. Мощность ее составляла 800 кВт и превосходила мощность любой существовавшей в то время станции постоянного тока. В качестве первичных двигателей использовались четыре вертикальные паровые машины мощностью 250 л.с. каждая. Применение переменного тока напряжением 2000 В позволило упростить и удешевить электрическую сеть и увеличить радиус электроснабжения (более 2 км при потере до 3 % напряжения в магистральных проводах вместо 17—20 % в сетях постоянного тока).

Таким образом, опыт эксплуатации центральных станций и сетей однофазного тока показал преимущества переменного тока, но вместе с тем, как уже отмечалось, выявил ограниченность его применения. Однофазная система тормозила развитие электропривода, усложняла его. Так, например, при подключении силовой нагрузки к сети Дептфордской станции приходилось Дополнительно помешать на валу каждого синхронного однофазного двигателя еще разгонный коллекторный двигатель переменного тока. Легко понять, что такое усложнение электропривода делало весьма сомнительной возможность его широкого применения.

5.6. Развитие теории электрических цепей

До 80-х годов прошлого века шло постепенное накапливание сведений об особенностях физических процессов в цепях переменного тока, к числу которых главным образом относятся возможные различия в фазах напряжения и тока, возбуждение ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции и существование тока через конденсатор. Количественные соотношения иногда только угадываются за качественны-ми рассуждениями, как это было характерно для всех исследований Фарадея. Да и более поздние исследования носили еще качественный характер. Например, Б. С. Якоби, анализируя образование ЭДС в генераторе, утверждал, что она пропорциональна угловой скорости вращения якоря, числу витков обмотки и интенсивности магнитного поля.

В работах Гельмгольца, Максвелла, У. Томсона (лорда Кельвина), Ф. Неймана и других физиков появляются строгие математические связи между мгновенными значениями токов и напряжений, появляются основные уравнения цепей в дифференциальной форме.

В 80-х годах делаются попытки сравнивать действия постоянного и переменного токов, вводится понятие об идеальном синусоидальном токе. Оказалось, например, что сравнительно легко подсчитать мощность, выделяемую синусоидальным током в резисторе и сравнить ее с мощностью, выделяемой в том же резисторе постоянным током. В 1888 г. У. Томсон показал возможность применения гармонического анализа Фурье для любого периодического (несинусоидального) тока (Фурье свой знаменитый метод предложил в 1822 г., разрабатывая теорию тепла).

В свете гармонического анализа несинусоидальных токов выяснилась чаще всего вредная роль высших гармоник и был сделан вывод о необходимости принимать специальные технические меры для получения в генераторах ЭДС, по форме возможно близкой к синусоиде. В 90-х годах на страницах электротехнических журналов состоялась «полемика о синусоиде».

В 1887 г. Гизберт Капп (1852—1922 гг.), впоследствии профессор Бирмингемского университета, вывел точную формулу трансформаторной ЭДС, известную ныне каждому электрику.

Большой вклад в развитие теории переменного тока внес итальянский физик Г. Феррарис, который в книге «О разности фаз у токов, <* запаздывании вследствии индукции и о потерях в трансформаторе» (1886 г.) впервые рассматривает разность фаз токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора, а также дает методы расчета потерь на гистерезис н вихревые токи. Позднее, в 1893 г., он исследовал и процессы и однофазных двигателях, применив метод вращающихся векторов,

В 1898 г. был опубликован фундаментальный труд Феррарнса под название «Научные основания электротехники». Это было первое руководство по теоретической электротехнике, появившееся в русском переводе в 1904 г.

В 1889 г. профессор Гринвичского морского училища Томас Блексдей предложил изображать синусоидальную величину в виде вектора. Метод векторных диаграмм открыл прекрасные возможности для наглядных представлений о процессах в цепях гармонического ток;». В частности этот метод позволил распространить закон Ома на цепи, содержащие резисторы, индуктивности и емкости и находящиеся под воздействием гармонических напряжений.

Важную роль в становлении современных представлении н области теории переменного тока сыграли исследования М. О. Доливо-Добровольского. В своем докладе на Международном конгрессе электриков во Франкфурте-на-Майне (1891 г.) Доливо-Добровольского показал, что магнитный поток в магннтопроводе с катушки, включенной в цепь переменного тока, целиком определяется напряжением (если считать частоту и число витков заданными) и не зависит от магнитного сопротивления. С изменением магнитного сопротивления меняется только намагничннающий ток. Это положение, которое Доливо-Добровольский называет первым основным положением теории переменного тока, действительно является исходным во всех расчетах электромагнитных устройств. Далее он отметил, что если магнитный поток изменяется синусоидально, то ЭДС (или, соответственно, напряжение) также изменяется по закону синуса, причем ЭДС и магнитный поток различаются по фазе на тг/2. Им были введены понятия активной и реактивной составляющих тока, которые он назвал соответственно ваттным (рабочим) и безваттным iвозбудительным) токами. Метод разложения любого тока на две составляющие бил рекомендован Доливо- Добровольский для практических расчетов и анализ;! процессов в электрических машинах н аппаратах.

Доливо-Добровольский рекомендовал принять в качестве основной формы кривой тока синусоиду. В отношении частоты тока он высказался за 30—40 Гц. Позднее в результате критического отбора получили применение лишь две частоты промышленного тока: 60 Гц в Америке и 50 Гц в других странах. Эти частоты оказались оптимальными, ибо повышение частоты ведет к чрезмерному возрастанию скоростей вращения электрических машин (при том же числе полюсов), а снижение частоты неблагоприятно сказывается на равномерности освещения.

Несколько позднее, в 1892 г., Доливо-Добровольский разработал на базе сформулированных положений основы теории и проектирования трансформаторов, опровергнув распространившееся ошибочное утверждение о том, что трансформаторы принципиально не могут быть экономичными аппаратами. В 90-х годах трудами ряда ученых (С. Эвершеда, Бен-Эшенбурга, Г. Каппа и др.) были исследованы важнейшие вопросы теории трансформаторов.

На основе метода векторных диаграмм появилась возможность исследовать поведение электрической цепи при изменении одного из параметров. Так стали известны линейные и круговые диаграммы, т.е. метод геометрических мест. Особенно продуктивным он оказался для теории электрических машин (А. Гейланд). В 1902 г. И. Лакур опубликовал книгу, где описано построение круговой диаграммы по данным опытов холостого хода и короткого замыкания.

Логическим завершением общей теории цепей переменного тока явилась исключительно продуктивная идея поместить векторную диаграмму на комплексную плоскость. Это позволяло тригонометрические операции над векторными изображениями синусоидальных функций времени заменить алгебраическими операциями над комплексными числами. Оказалось, к тому же, что интегрально-дифференциальные топологические уравнения для мгновенных значений в стационарных процессах могут быть заменены алгебраическими уравнениями для комплексных изображений.

Несмотря на то что идея применения комплексных чисел для анализа цепей при гармонических воздействиях буквально носилась в воздухе, несомненная заслуга в широком введении метода комплексных амплитуд ("символического метода") принадлежит известному американскому электротехнику Чарльсу Протеусу Штейнмецу (1865—1923 гг.). В 1901 г. Штейнмец издал фундаментальный курс под названием «Теоретические основы электротехники».

В 1899 г. в Лондоне был опубликован и другой символический метод, который предлагал замену любого аналитически выраженного воздействия его операторным изображением. Английский физик Оливер Хевисайд (1850—1925 гг.), увлеченный трактатом Максвелла, запершись как одинокий отшельник, в своем домашнем кабинете, решал одну за другой задачи из теории электрических цепей и электромагнитных полей. Когда ему недоставало математических знаний он тут же развивал необходимый математический аппарат. Так для решения задач о переходных процессах он придумал операционное исчисление, основанное на преобразовании Лапласа.

К концу прошлого столетия нашла естественное завершение в главных своих частях теория электрических цепей, реальная гармоническая функция времени была представлена сначала вектором на плоскости, потом комплексным символом и, наконец, любая функция времени — операторным изображением. Указанным воздействиям были поставлены в соответствие комплексные и операторные схемы замещения, т.е. были введены в обращение понятия о комплексных и операторных сопротивлениях.

По мере расширения практических применений электрической энергии начиналась подготовка научных и инженерных кадров электротехников. В отдельных технических учебных заведениях начинали читаться специальные курсы. Например, в России еще в 1840 г. был организован офицерский класс для изучения электричества и магнетизма в связи с потребностями минной электротехники. В 1856 г. Главное инженерное училище военного ведомства стало готовить инженеров по электротехнике. В 1884 г. в Петербургском технологическом институте появилась электротехническая специальность, а в 1891 г. на базе Телеграфного училища был открыт Петербургский электротехнический институт.

В Петербургском политехническом институте, открытом в 1902 г., будущий академик Владимир Федорович Миткевич (1872—1951 гг.) с 1904 г. начал читать курс «Теория электрических и магнитных явлений», а в Московском высшем техническом училище с 1905 г. начал читать курсы «Теория переменных токов» и «Электрические измерения» будущий чл.-корр. АН СССР и профессор Московского энергетического института Карл Адольфович Круг (1873—1952). С именами В. Ф. Миткевича и К. А. Круга связано снование петербургской и московской электротехнических школ.

ГЛАВА 6 ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ: ПРОИЗВОДСТВО. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

6.1. Вращающееся магнитное поле — новое физическое явление

Начало современного этапа в развитии электротехники относится к 90-м годам прошлого столетия, когда решение комплексной энергетической проблемы вызвало к жизни электропередачу электропривод. Электрификация началась тогда, когда оказалось возможным строить крупные электрические станции в местах, богатых первичными энергоресурсами, объединять их работу на общую сеть и снабжать электроэнергией любые центры и объект электропотребления.

Техническая сторона электрификации заключалась в разработке многофазных систем, из которых практика сделала выбор в пользу системы трехфазной. Наиболее важным» и во всяком случае новыми элементами трехфазной системы были электродвигатели, действие которых основано на использовании явления вращающегося магнитного поля.

Ранее упоминался опыт Араго, в котором диск и вращающийся магнит отражали принцип асинхронного электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Однако это поле создавалось не неподвижным устройством, каким в современных машинах является статор, а вращающимся магнитом (рис. 4.2).

Долгое время явление, открытое Араго, не находило практического применения. Только в 1879 г. У. Бели (Англия) сконструировал прибор (рис. 6.1), в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось с помощью неподвижного устройства — путем поочередного намагничивания четырех расположенных по периферии круга электромагнитов. Намагничивание производилось импульсами постоянного тока, посылаемыми в обмотки электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором. Полярность верхних концов стержней изменялась в определенной последовательности так, что через каждые восемь переключений коммутатора магнитный поток изменял свое направление п пространстве на 360. Над полюсами электромагнитов, как и в опытах Араго, был подвешен медный диск 2. Бели указывал, что при бесконечно большом числе электромагнитов можно было бы обеспечить равномерное вращение магнитного поля. Прибор Бели не нашел никакого применения. Тем не менее, он был некоторым связующим звеном между опытом Араго и более поздними исследованиями. С позиций сегодняшнего дня представляется крайне простым осуществление вращающегося поля в установке Бели или в подобном приборе иной конструкции путем питания электромагнитов синусоидальными токами с различными начальными фазами. Однако в 80-х годах прошлого столетия на это ушло несколько лет работы и поисков многих ученых, среди которых были французский физик Марсель Депре, разработавший в 1883 г. систему синхронной связи двух движений, авторы одной из конструкций индукционных электросчетчиков Борель и Шалленбергер, изобретатель репульсионного двигателя И. Томсон, американский электротехник Ч. Бредли, немецкий инженер Ф. Хазельвандер и др. В связи с этим интересно привести фразу Илайю Томсона: «Трудно составить такую комбинацию из магнитов, переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению».

История открытия вращающегося магнитного поля и многофазных систем до крайности запутана. В 90-е годы прошли многие судебные процессы, на которых разные фирмы, скупившие патенты изобретателей, пытались утвердить свои права на многофазные системы. Только американская фирма Вестингауз провела более 25 судебных процессов.

Однако исчерпывающие и получившие наибольшую известность экспериментальные и теоретические исследования вращающегося магнитного поля выполнили независимо друг от другавыдающиеся ученые итальянец Галилео Феррарис (1847—1897 гг.) и серб Цикола Тесла (1856—1943 гг.).

Г. Феррарис утверждал, что суть явления вращающегося магнитного поля он осознал еще в 1885 г., но доклад «Электродинамическое вращение, произведенное с помощью переменных токов» он сделал в Туринской академии (членом которой он состоял с 1880 г.) 18 марта 1888 г.

Н. Тесла в своей автобиографии рассказывал, что идея двухфазного асинхронного двигателя родилась у него еще в 1882 г., когда он работал в Будапештской телеграфной компании. Гуляя в парке с другом, он, осененный идеей, «тростью сделал на песке набросок принципа, который изложил шесть лет спустя на конференции в Американском институте электроинженеров». Доклад в этом институте состоялся 16 мая 1888 г., т.е. на два месяца позднее доклада Феррариса. Но первую заявку на получение патента на многофазные системы Тесла подал еще 12 октября 1887 г., т.е. ранее выступления Феррариса.

Остановимся сначала на работе Г. Феррариса исходя не из приоритетных соображений, а из того, что в его работе дан более обстоятельный теоретический анализ и еще потому, что именно перевод доклада Феррариса в английском журнале попал в свое время в руки М. О. Доливо-Добровольскому и вызвал первый импульс в серии последующих замечательных изобретений. Галилео Феррарис был известным в Европе ученым, представлявшим Италию на разных международных выставках и конгрессах.

Профессор разрабатывал теорию переменных токов и умел в очень ясной форме объяснять трудные физические процессы. Вот как в переложении им было объяснено явление вращающегося магнитного поля.

Рассмотрим показанную на рис. 6.2. пространственную диаграмму, на которой ось x: представляет собой положительное направление вектора магнитной индукций создаваемой одной из катушек, а ось у положительное направление поля другой катушки. Для момента времени, когда индукция одного поля в точке О изображается отрезком OA, а другого — ОВ, суммарная результирующая индукция изобразится отрезком OR. При изменениях OA и ОБ точка R перемещается но кривой, форма которой определяется законами изменений во времени двух полей. Если два поля имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на четверть периода, то геометрическим местом точки R станет окружность. Налицо вращение магнитного поля. Если фазу одного из полей или возбуждающего его тока изменить на 180 , то изменится и направление вращения результирующего поля. Если поместить в это поле снабженный валом и подшипниками медный цилиндр, то он будет вращаться. Позднее асинхронные двигатели с полым ротором в виде медного стакана получили название двигателей Феррариса.

Но как получить два переменных тока, сдвинутых относительно друг друга по фазе Феррарис предложил метод «расщепления фаз», при котором искусственным путем создавался сдвиг по фазе при включении в цепи двух взаимоперпендикулярно расположенных катушек фазосмещающих устройств. На рис. 6.3. показан внешний вид модели двухфазного асинхронного двигателя, хранящейся в музее г. Турина, директором которого конца жизни был Галилео Феррарис.

В своем теоретическом анализе Феррарис, находясь в плену методов «слаботочной техники», предположил, что асинхронный Читатель должен работать в режиме, согласованном с источником "чтения, то есть в режиме передачи от источника к двигателю Максимальной мощности. Отсюда вытекало условие работы двигала при 50-процентном скольжении, и, как следствие, КПД такого двигателя мог быть только ниже 50 %. «Эти вычисления, — полагал Феррарис, — и экспериментальные результаты подтверждает очевидное a priori заключение, что аппарат, основанный на этом принципе, не может иметь какого-либо практического значения...». Эта досадная и поучительная ошибка выдающегося ученою снижала ценность открытия и ограничивала область его применения только измерительными устройствами. Но именно эта злополучная для Феррариса фраза оказалась счастливой находкой для Даливо-Добровольского.

Никола Тесла, одни из самых известных и плодовитых ученых в области электротехники, начинавший и 80-х подах прошлого века свою научную карьеру, получил только н области многофазных систем 41 патент. Некоторое время Тесла работал и Эднсоновской компании в Париже (1882—1884 гг.>, а затем переехал в США. В 1888 г. псе своп патенты по многофазным системам Тесла продал главе известной фирмы Джорджу Всстннгаузу, который в своих планах развития техники переменною тока (в противовес компании Эдисона) сделал станку иа работы Тесла. Впоследствии Тесла мною внимания уделял технике высоких частот ("трансформатор Тесла") и идее передачи электроэнергии без проводов. Интересная деталь: прн решении вопроса о стандартизации промышленной частоты, а диапазон предложении был от 25 до 133 Гц, Тесла решительно высказался за принятую им для своих опытных установок частоту 60 Гц. Тогда отказ инженера Вестннгауза от предложения Тесла послужили начальным импульсом для ученого, решившего расстаться с Вестингаулом. Но вскоре именно эта частота бы.1.1 принята н США в качестве стандартной.

В патентах Тесла были описаны различные варианты многофазных систем, В отличие от Феррариса Тесла полагал, что многофазные токи следует получать от многофазных источников, а не пользоваться фазосмещающими устройствами. Утверждая, что двухфазная система, являясь минимальным вариантом системы многофазной, окажется и наиболее экономичной, Тесла, а вслед за ним и фирма Вестннгауза, основное внимание сосредоточили именно на этой системе.

Схематически система Тесла в ее наиболее характерной форме представлена на рис, 6.4, слепа изображен синхронный генератор, справа — асинхронный двигатель. В генераторе между полюсами вращались две взаимно перпендикулярные катушку в которых генерировались дна тока, сдвинутые по фазе на 90. Концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора (на чертеже для ясности эти кольца имеют различные диаметры).

Ротор двигателя тоже имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом друг к другу замкнутых на себя катушек. Основным недостатком двигателя Тесла, который впоследствии сделал его неконкурентоспособным, было наличие выступающих полюсов с сосредоточенной обмоткой. Эти двигатели имели большое магнитное сопротивление и крайне неблагоприятное распределение намагничивающей силы вдоль воздушного зазора, что приводило к ухудшению характеристик машины. Таковы были следствия механического переноса в технику переменного тока конструктивных схем машины постоянного тока.

Конструкция обмотки ротора, как выяснилось позднее, тоже оказалась неудачной. Действительно, выполнение обмоток сосредоточенными (а не распределенными по всей окружности ротора) при выступающих полюсах на статоре приводило к ухудшению пусковых условий двигателя (зависимость пускового момента от начального положения ротора), а то обстоятельство, что обмотки ротора имели сравнительно большое сопротивление, ухудшало рабочие характеристики.

Неудачным оказался и выбор двухфазной системы токов из всех возможных многофазных систем. Известно, что значительную долю стоимости установки для передачи электроэнергии составляют затраты на линейные сооружения и в частности на линейные провода. В связи с этим казалось очевидным, что чем меньше принятое число фаз, тем меньшим будет число проводов и тем, следовательно, экономичнее устройство электропередачи. Двухфазная система требовала применения четырех проводов, а удвоение числа проводов по сравнению с установками постоянного или однофазного переменного токов представлялось нежелательным. Поэтому Тесла предлагал в некоторых случаях применять в двухфазной системе трехпроводную линию, то есть делать один провод общим. В этом случае число проводов уменьшалось до трех. Однако расход металла на провода при этом снижался меньше, чем можно было ожидать, так как сечение общего провода должно быть примерно в 1,5 раза (точнее, в 2 раз) больше сечения каждого из двух других проводов.

Встретившиеся экономические и технические трудности задерживали внедрение двухфазной системы в практику. Фирма Вестингауз построила несколько станций по этой системе, из которых наибольшей по масштабам была Ниагарская гидроэлектростанция.

6.2. Трехфазная система и асинхронный двигатель

В то время как Тесла и его сотрудники пытались усовершенствовать двухфазную систему, в Европе была разработана более совершенная электрическая система — трехфазная. Изучение документальных материалов показывает, что в 1887—1889 гг. многофазные системы разрабатывались с большим или меньшим успехом несколькими учеными и инженерами.

Например, в Америке Ч. Бредли, стремясь изготовить электрическую машину с лучшим использованием активных материалов, конструировал двух- и трехфазные генераторы. Однако Бредли не знал о явлении вращающегося магнитного поля и предполагал, что потребители в многофазных системах должны включаться как однофазные на каждую пару проводов.

Немецкий инженер Ф. Хазельвандер подошел к трехфазной системе токов с других исходных позиций. Зная, что коллектор у генератора и двигателя постоянного тока выполняет взаимообратные функции, он решил его устранить, считая что достаточно те точки обмоток якорей каждой из машин, от которых идут отпайки к пластинам коллектора, соединить соответственно друг с другом. Это удобно сделать у обращенных машин, якоря которых неподвижны, а полюсы вращаются. Тогда генератор будет связан с двигателем числом проводов, равным числу коллекторных пластин. Стремясь уменьшить число линейных проводов, Хазельвандер нашел минимальный вариант — три провода. Однако он не сумел увидеть всех возможностей новой системы и создать пригодные для практики конструкции машин.

Наибольших успехов в развитии многофазных систем добился М. О. Доливо-Добровольский, который сумел придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником техники трехфазных систем.

Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862—1919 гг.) родился в пригороде Петербурга, в городе Гатчине, а закончил реальное училище в Одессе, где его отец издавал местную газету «Правда». С 1878 г. он учился в Рижском политехническом институте, но закончить обучение ему не удалось, так как за участие в студенческих волнениях в год цареубийства (1881 г.) он был отчислен. Завершил он образование в Германии, в Высшем техническом училище города Дармштадта, в котором большое внимание уделялось практическим применениям электричества.

В этих благоприятных условиях природное дарование, трудолюбие и изобретательский талант Доливо-Добровольского помогли ему быстро выдвинуться в число лучших студентов, и в 1884 г. после успешного окончания училища он был оставлен в нем в должности ассистента. Руководство кафедры, высоко оценившее его эрудицию, поручило ему преподавание нового самостоятельного курса по практическому применению Электрохимии.

Вскоре произошли события, оказавшиеся счастливыми для молодого преподавателя: на него обратил внимание энергичный предприниматель Эмиль Ратенау, возглавивший только что откупившуюся от эдисоновской компании и ставшую самостоятельной фирму АЭГ (Всеобщая компания электричества). Русский инженер занял должность шеф-электрика фирмы.

Осенью 1888 г. Доливо-Добровольский прочел доклад Феррариса о вращающемся магнитном поле и был крайне удивлен его выводомо практической непригодности индукционного электродвигателя. Еще до этого Доливо-Добровольский заметил, что если замкнуть накоротко обмотку якоря двигателя постоянного тока при его торможении (т.е. в опыте динамического торможения), то возникает большой тормозящий момент. «Я тотчас же сказал себе, — вспоминал позднее Доливо-Добровольский, — что если сделать вращающееся поле по методу Феррариса и поместить в него такой короткозамкнутый якорь малого сопротивления, то этот якорь скорее сам сгорит, чем будет вращаться с небольшим числом оборотов. Мысленно я прямо представил себе электродвигатель многофазного тока с ничтожным скольжением».

Так Доливо-Добровольский пришел к выводу о нецелесообразности изготовления обмотки ротора с таким большим сопротивлением, при котором ротор имел бы скольжение около 50 %. стержнях обмотки малого сопротивления при небольшом скольжении возникнут токи, которые в достаточно сильном поле стат создадут значительный вращающий момент.

Усиленная деятельность в этом направлении в необычайно короткий срок привела к разработке трехфазной электрической системы и совершенной, в принципе не изменившейся д настоящего времени конструкции асинхронного электродвигателя.

Первым важным шагом, который сделал Доливо-Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьей клетки.

Для уменьшения сопротивления обмотки ротора лучшим конструктивным решением мог быть ротор в виде медного цилиндра, как в двигателе Феррариса. Но медь является плохим проводником для магнитного поля статора, и КПД такого двигателя был бы очень низким. Если же медный цилиндр заменить стальным, то магнитный поток резко возрастает, но вместе с тем электрическая проводимость у стали меньше, чем у меди. Выход из этого противоречия состоял в том, чтобы выполнить ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало магнитное сопротивление ротора) и в просверленные по периферии последнего каналы закладывать медные стержни (что уменьшает электрическое сопротивление ротора).

На лобовых частях ротора эти стержни должны быть хорошо электрически соединены друг с другом. На рис. 6.5. представлены чертежи из первого патента Доливо- Добровольского в области трехфазной системы. Этим патентом Доливо-Добровольский закрепил за собой изобретение ротора с беличьей клеткой, то есть той конструкции ротора асинхронного двигателя, которая принципиально сохранилась в том же виде и до настоящего времени.

Следующим шагом Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной системы трехфазной. Он совершенно справедливо отмечал, что при увеличении чиста фаз улучшается распределение намагничивающей силы по окружности статора асинхронного двигателя и использование' машины. Уже переход от двухфазной системы к трехфазной дает значительный выигрыш в этом отношении. Дальнейшее увеличение чиста фаз нецелесообразно, так как оно привело бы к значительному увеличению расхода меди на провода. Вскоре выяснились и другие преимущества трехфазной системы. Но каким образом проще всего получить трехфазную систему? Уже был известен способ, при помощи которого обычную машину постоянного тока можно было превратить в генератор переменного тока. П. Н. Яблочков и 3. Грамм еще в конце 70-х годов секционировали кольцевой якорь генератора и получали от каждой секции переменный ток. В середине 80-х годов были построены первые вращающиеся одноякорные преобразователи.

Эти преобразователи очень протока; сто получались из обычной машины ПОСТОЯННОГО тока: ОТ двух диаметрально противоположных точек обмотки якоря двухполюсной машины делались отпайки, которые выводились на контактные кольца. В этом случае к коллектору машины подводился постоянный ток, а с колец снимался переменный ток (рис 6.6). Если в том же якоре машины постоянного тока сделать отпайки от четырех равноотстающих точек, то на четырех кольцах легко получить двухфазного систему тока (рис. 6.7 а).

Тесла построил синхронный генератор, в котором имелись три независимые катушки, расположенные под углом 60° друг к другу. Такой генератор давал трехфазную систему токов, но требовал для передачи энергии шесть проводов, так как в этом случае получалось несвязанная трехфазная цепь с токами, сдвинутыми друг от друга по фазе на 60е. Доливо-Добровольский в результате исследования различных схем обмоток сделал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машин постоянного тока. Таким образом, были получены тою: с разностью фаз 120 (рис. 6.7 б). Сохранив в этой машине коллектор, можно было использовать ее в качестве одноякорного преобразователя.

Таким путем была найдена связанная трехфазная система, которая отличается той особенностью, что она требует для передачи и распределения электроэнергии только три провода. В двухфазной системе Тесла также имелась возможность обойтись тремя проводами, однако достоинства симметричной связанной трехфазной цепи подкреплялись другими преимуществами как двигателей, так и вообще трехфазной системы. Последняя является симметричной, уравновешенной и экономичной. На три провода в трехфазной системе для передачи одинаковой мощности требовалось затратить металла на 25 % меньше, чем на два провода в однофазной. Эта очевидная экономия металла была одним из главных аргументов в пользу трехфазной системы.

Дальнейшее увеличение числа фаз привело бы к некоторому улучшению использования электрических машин, но вызвало бы соответствующее увеличение числа линейных проводников. Таким образом, трехфазная система электрических токов является оптимальной многофазной системой.

Системе трех «сопряженных» токов Доливо-Добровольский дал специальное наименование «Drehstrom», что в переводе на русский язык означает «вращающий ток». Указанный термин, хорошо характеризующий способность образовывать вращающееся магнитное поле, до настоящего времени сохранился в немецкой литературе.

Весной 1889 г. был построен первый трехфазный асинхронный двигатель мощностью около 100 Вт (рис. 6.8). Этот двигатель питался током от трехфазного одноякорного преобразователя и при испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты.

Поражает конструктивная законченность первых асинхронных электродвигателей Доливо-Добровольского. Стержни «беличьей клетки» он предлагает делать неизолированными, сердечник ротора — массивным или шихтованным, стержни по торцам он соединил короткозамыкающими кольцами, для статора впервые ввел полузакрытые пазы.

Вот как описывал изобретатель впечатление от первого двигателя: «Уже при первом включении выявилось ошеломляющее для представителей того времени действие.. Электродвигатель, ротор которого имел диаметр около 75 мм и длину также около 75 мм и не обладал никакими особыми присоединениями к сети, мгновенно стал вращаться на полное число оборотов и был совершенно бесшумным. Попытка остановить его торможением за конец вала от руки блестяще провалилась, и только при особой ловкости было возможно воспрепятствовать таким способом его запуску при включении... Если принять во внимание малые размеры моторчика, это представлялось чудом для всех приглашенных свидетелей».

Вслед за первым одноякорным преобразователем был создан второй, более мощный, а затем началось изготовление трехфазных синхронных генераторов. Уже в первых генераторах применялись два основных способа соединения обмоток: в звезду и треугольник. В дальнейшем Доливо-Добровольскому удалось улучшить использование статора с помощью широко применяемого в настоящее время метода, заключающегося в том, что обмотку делают разрезной и противолежащие катушки соединяют встречно.

Важным достижением Доливо-Добровольского явилось также то, что он отказался от выполнения двигателя с выступающими полюсами и сделал обмотку статора распределенной по всей его окружности, благодаря чему значительно уменьшилось магнитное рассеяние по сравнению с двигателями Тесла. Так трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором получил современные конструктивные формы. Вскоре Доливо-Добровольским было внесено еще одно усовершенствование, кольцевая обмотка статора была заменена барабанной. После этого асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором приобрел современный вид.

Новое затруднение в развитии трехфазной техники возникло в связи с ограниченной мощностью первых источников энергии, как отдельных генераторов, так и электростанций в целом. Дело в том, что пусковой ток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может в несколько раз превышать номинальный, и поэтому включение двигателей мощностью свыше 2—3 кВт уже отражалось на работе других потребителей.

М. О. Доливо-Добровольский в 1890 г. изготовил двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью примерно 3,7 кВт и при первом же испытании установил значительное ухудшение пусковых свойств. Причина этого заключалась в том, что короткозамкнутый ротор был «слишком замкнут накоротко». При увеличении "сопротивления обмотки ротора пусковые условия заметно улучшались, но рабочие характеристики двигателя ухудшались. Анализ возникших затруднений привел к созданию так называемого фазного ротора, то есть такого, обмотка которого делается, подобно обмотке статора, трехфазной и концы которой соединяются с тремя кольцами, насаженными на вал. С помощью щеток эти кольца соединяются с пусковым реостатом. Таким образом, в момент пуска включается в цепь ротора большое сопротивление, которое выводится по мере нарастания частоты вращения. На рис 6.9, взятом из доклада Доливо-Добровольского на первом Всероссийском электротехническом съезде 1899 г.), показана принципиальная конструкция двигателя. Но фазный ротор требовал устройства на валу контактных колец, а это рассматривалось многими электротехниками как недостаток по сравнению с короткозамкнутым ротором, не имевшим никаких трущихся контактов. Однако с этим недостатком пришлось мириться, и, несмотря иа то, что впоследствии были разработаны различные меры по улучшению условий пуска крупных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, двигателя с контактными кольцами применяются в промышленности до настоящего времени.

В статьях и докладах Доливо-Добровольского содержится много рассуждений о недопустимости сосредоточенных обмоток в машинах переменного тока, о пульсациях намагничивающей силы, о повышенном магнитном рассеянии, ухудшающем условия пуска. Налицо формирование элементов теории асинхронных машин. Конструктивные же формы созданных Доливо-Добровольским двигателей были настолько совершенны, что не претерпели сколько-нибудь существенных изменений за 100 лет своего существования.

В 1917 г. Доливо-Добровольский написал статью «Из истории трехфазного тока», где в частности отмечал: «Трудно понять, почему Тесла с упорством отстаивал иссопряженный двухфазный ток, в то время как мы здесь с самого начала взялись за трехфазную систему. Мне, впрочем, кажется, что немногие люди верили в лучшие свойства электродвигателей при трех фазах вместо двух. Многие заинтересовались трехфазной системой лишь посте того, как стало ясно, что она приводит к уменьшению сечения проводов». А в другой статье он указывал, что «...бесспорным останется технический приоритет того изобретателя или фирмы, которые сумела сделать свое открытие жизнеспособным и на основании своей идеи и опыта создать применимый технический агрегат. Заслуга практической разработки и технического воплощения системы многофазного тока безусловно принадлежит АЭГ, что не должно снижать научной ценности открытий проф. Феррариса и Тесла».

Трехфазная система не получила бы в первые же годы своего существования быстрого распространения, если бы она не решила проблемы передачи энергии на большие расстояния. Но электропередача выгодна при высоком напряжении, которое в случае переменного тока получается при помощи трансформатора. Трехфазная система не представляла принципиальных затруднений для трансформирования энергии, но требовала трех однофазных трансформаторов вместо одного при однофазной системе. Такое увеличение числа довольно дорогих аппаратов не могло не вызвать стремления найти более удовлетворительное решение. В 1889 г. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор. Вначале это был трансформаторе радиальным расположением сердечников (рис. 6.10). Его конструкция еще напоминает машину с выступающими полюсами, в которой устранен воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни. Затем было предложено несколько конструкций так называемых «призматических» трансформаторов, в которых удалось получить более компактную форму магнитопровода (рис. 6.10 б, в, г). Наконец, в октябре 1891 г. была сделана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости (рис. 6.10 д).

В принципе эта конструкция сохранилась по настоящее время. Целям электропередачи отвечали также работы, связанные с изучением схем трехфазной цепи. В 80—90-х годах прошлого века значительное место в электропотреблении занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную несимметрию систему. Кроме того, иногда было желательно иметь в своем распоряжении не одно, а два напряжения: одно — для осветительной Сгрузки, другое, повышенное, — для силовой.

Чтобы можно было регулировать напряжение в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазном и линейным», Доливо-Добровольский разработал в 1890 г. четырехпроводиую схему трехфазной цепи, или, иначе, систему с нейтральным проводом. Одновременно он указал, что вместо нейтрального, или нулевого, провода можно использовать землю. Доливо-Добровольский обосновал свои предложения доказательством того, что четырехпроводная трехфазная система допускает определенную иесимметрию нагрузки; при этом напряжение на зажимах каждой фазы будет оставаться неизменным. Для регулирования напряжения в отдельных фазах четырехпроводной системы Доливо-Добровольский предложил использовать изобретенный им трехфазный автотрансформатор.

Таким образом, в течение 2—3-х лет были конструктивно разработаны все основные элементы трехфазной системы электроснабжения: трансформатор, трехпроводная и четырехпроводная линии передачи и асинхронный двигатель в двух его основных модификациях (с фазным и короткозамкнутым ротором). Из всех возможных конструкций многофазных синхронных генераторов, принцип построения которых был уже задолго до того известен, получили широкое практическое применение только трехфазные машина. Так зародилась и получила свое начальное развитие трехфазная система электрического тока.

Изучение истории техники трехфазных цепей показывает, что решающую роль в ее зарождении и развитии сыграли труды М. О. Доливо-Добровольского. Он не только разработал основные элементы трехфазной системы, но и сделал ряд важнейших изобретений в области техники постоянного тока, в электроизмерительной технике; ему принадлежат также некоторые другие работы. Несомненно, столь быстрый и полный успех трудов М. О. Доливо-Добровольского во многом определяется тем обстоятельством, что они отвечали основным потребностям практики. Действительно, Доливо-Добровольский начал свою инженерную и научную деятельность в тот период, когда развивавшиеся производительные силы общества ставили перед электротехникой все новые и более ответственные задачи. Основное направление работ Доливо-Добровольского совпало с главным направлением в развитии электроэнергетики. Кроме того, нельзя упускать из виду, что Доливо-Добровольский работал в условиях наиболее развитой в то время германской электротехнической промышленности и, являясь одним из технических руководителей крупнейшей электротехнической фирмы, располагал большими возможностями для экспериментального исследования и практической реализации своих изобретений. В 1914 г., когда разразилась Первая мировая война, Доливо-Добровольский, как русский подданный, был вынужден покинуть Германию и жил в Швейцарии. Здоровье его было серьезно подорвано, чувство личной неустроенности, оторванность от Родины вызвали обострение сердечной болезни, и в 1919 г. в Гейдельберге Михаил Осипович скончался.

6.3. Первая трехфазная линия электропередачи решает многолетний спор: постоянный или переменный ток?

Годом рождения электрификации вполне можно считать 1891 г., когда состоялось генеральное испытание трехфазной Системы на Международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне.

Поводом к организации этой выставки явились затруднения обербургомистра Франкфурта в выборе рода тока для центральной электростанции города. Вопрос «постоянный или переменный ток?» являлся предметом научных дискуссий в течение 80-х годов прошлого столетия. Авторитетная международная комиссия, созданная по просьбе обербургомистра, тоже не пришла к соглашению и не смогла дать определенных рекомендаций. Поэтому было решено организовать международную электротехническую выставку и дать возможность всем желающим лицам и фирмам продемонстрировать свои предложения и технические возможности. Была организована международная испытательная комиссия под председательством немецкого ученого Германа Гельмгольца. В число членов комиссии входил русский инженер Р. Э. Классон. Предполагалось, что комиссия проведет испытания всех предложенных систем и даст ответ на вопрос о выборе рода тока и перспективной системы электроснабжения.

Организаторы Франкфуртской выставки по инициативе видного немецкого электротехника О. (рои Миллера предложили фирме АЭГ, в которой в то время работал Доливо-Добровольский, передать посредством электричества энергию водопада на р. Неккар (близ местечка Лауфен) на территорию выставки во Франкфурт. Расстояние между этими двумя пунктами составляло 170 км. В Лауфене в распоряжение строителей передачи выделялась турбина, дававшая полезную мощность около 300 л.с.

До этого времени дальность электропередачи, не считая нескольких опытных установок, не превышала 15 км, и некоторые компетентные специалисты полагали, что КПД установки может оказаться ниже 50 %.

Правление фирмы АЭГ согласилось осуществить электропередачу, и Дол и во- Добровольскому предстояло в течение года (!) спроектировать и построить асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт и трехфазные трансформаторы мощностью 100—150 кВ А. Изготовление генератора было поручено главному инженеру швейцарского завода «Эрликон» Ч. Броуну, который сотрудничал с Доливо-Добровольским в области конструирования многофазных машин. Срок был чрезвычайно коротким, а задачи — весьма ответственными: во-первых, новая система тока должна была подвергнуться испытанию перед лицом представителей всего мира; во-вторых, масштабы испытания были невиданными. Двигатели и трансформаторы на такие мощности еще никогда не строились. Об опытных конструкциях не могло быть и речи. Доливо-Добровольский писал по поводу возникшей задачи: "Если я не хотел навлечь на мой трехфазный ток несмываемого позора и подвергнуть его недоверию, которое вряд ли удалось бы потом быстро рассеять, я обязан был принять на себя эту задачу и разрешить ее. В противном случае опыты Лауфен — Франкфурт и многое, что должно было затем развиваться на их основе, пошли бы по пути применения однофазного тока".

В августе 1891 г. на выставке впервые зажглись 1000 ламп накаливания, питаемых током от Лауфенской гидростанции; 12 сентября того же года двигатель Доливо-Добровольского привел в действие декоративный водопад. Налицо была своеобразная энергетическая цепь, небольшой искусственный водопад приводился в действие энергией естественного водопада, удаленного от первого на 170 км.

Что же представляла собой эта первая трехфазная линия?

На гидроэлектростанции в Лауфене энергия, развиваемая турбиной, передавалась через коническую зубчатую передачу на вал трехфазного синхронного генератора 230 кВ -А, 150 об/мин, 95 В, соединение обмоток в акеаду). От генератора медные шины вели к распределительному щиту. На последнем были установлены амперметры и вольтметры, свинцовые предохранители и максимально-минимальные токовые реле, воздействовавшие на цепь возбуждения.

В Лауфене и Франкфурте находилось по три трехфазных трансформатора с магнитопроводом призматической формы. В начале испытаний на каждом конце линии было включено по одному трансформатору мощностью 150 кВ А каждый, с коэффициентами трансформации 154 в Лауфене и 116 во Франкфурте. Поскольку приборов для измерения высокого напряжения не было, вторичное напряжение определяли простым умножением первичного на коэффициент трансформации. Трансформаторы были погружены в баки, наполненные маслом.

Трехпроводная линия была выполнена на деревянных опорах со средним пролетом около 60 м. Медный провод диаметром 4 мм крепился на штыревых фарфорово-масляных изоляторах. Интересной деталью линии являлась установка плавких предохранителей со стороны высокого напряжения. В начале линии в разрыв каждого провода был включен участок длиной 2,5 м, состоявший из двух медных проволок диаметром 0,15 мм каждая. Для отключения линии во Франкфурте посредством простого приспособления устраивалось трехфазное короткое замыкание, плавкие вставки перегорали, турбина начинала развивать большую скорость, и машинист, заметив это, останавливал ее. На выставочной площадке во Франкфурте был установлен понижающий трансформатор, от которого при напряжении 65 В питались 1000 ламп накаливания, расположенных на огромном щите. Здесь же был установлен трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского (рис. 6.11) приводивший в действие гидравлический насос мощностью около 100 л.с. Двигатель был выполнен обращенным, то есть с питанием со стороны ротора. Одновременно с этим мощным двигателем Доливо-Добровольский экспонировал асинхронный трехфазный двигатель мощность около 100 Вт, с вентилятором на его валу и двигатель мощностью 1,5 кВт с сидящим на его валу генератором постоянного тока, последний питал лампы накаливания.

Перед пуском электропередачи возникли неожиданные затруднения. Дело в том, что линия пересекала территории четырех германских земель, и местные власти очень опасались высокого напряжения. Люди испытывали страх перед деревянными столбами с табличками, на которых был изображен череп. Знающих людей смущало то, что оборудование на электростанции было заземлено, как заземлена была и нейтраль трансформатора. В связи с этим очень опасались обрыва провода и падения его на землю. Выставочный комитет провел огромную разъяснительную работу, убеждая местных правительственных чиновников в том, что все опасности предусмотрены и линия надежно защищена. Доливо-Добровольскому пришлось провести опасный, но убедительный эксперимент. На границе двух земель собрались представители местных властей. Включили линию под напряжение и на глазах у присутствующих искусственным путем оборвали провод, который с яркой вспышкой упал на рельсы железной дороги. Доливо-Добровольский сейчас же подошел и поднял провод голыми руками — настолько он был уверен, что спроектированная им защита сработает надежно.

25 августа 1891 г. официальный пуск линии состоялся. Несмотря на то, что линия, машины, трансформаторы, распределительные щиты изготовлялись в спешке, что некоторые детали по Свидетельству Доливо-Добровольского придумывались в течение часа, вся установка, включенная без предварительных испытаний, сразу же стала работать вполне хорошо. Доливо-Добровольский, ставший знаменитым изобретателем, рассказывал, что среди непосвященной публики существовало мнение, будто в этом выставочном водопаде журчит «настоящая вода из Неккара», переданная во Франкфурт по проводам.

Испытания электропередачи, которые проводились Международной комиссией, дали следующие результаты: минимальный КПД электропередачи (отношение мощности на вторичных зажимах трансформатора во Франкфурте к мощности на валу турбины в Лауфене) — 68,5 %, максимальный КПД — 75,2 %; линейное напряжение при испытаниях составляло около 15 кВ.

Характерен заключительный вывод комиссии: «...работа линии с переменными токами напряжением от 7500 до 8500 В (фазное — авт.), изолированной маслом, фарфором и воздухом, длиной больше ста километров, протекала всегда равномерно, безопасно и без нарушений, как и работа с переменными токами напряжением в несколько сотен вольт и при длине линии в несколько метров». Было также проведено дополнительное испытание линии электропередачи при более высоком напряжении — 25,1 кВ; максимальный КПД составил 78,9 %.

Результаты испытаний электропередачи Лауфен — Франкфурт не только продемонстрировали возможности электрической передачи энергии, но и поставили точку в давнем споре. В борьбе «постоянный — переменный ток» победила техника переменного тока. Как на любопытный рецидив уходившей в историю борьбы идей, можно указать на следующее свидетельство М. О. Доливо-Добровольского: «В сентябре 1889 г. Эдисон посетил Берлин. При сделанном ему предложении осмотреть новый электродвигатель переменного тока он буквально замахал руками: «Нет, нет, переменный ток — это вздор, не имеющий будущего. Я не только не хочу осматривать двигатель переменного тока, но и знать о нем». И он не пришел!

Эта же электропередача убедительно показала, что среди систем переменного тока преимущества находятся на стороне трехфазных систем. Международная электротехническая выставка и приуроченный к ней Международный конгресс электротехников (7—12 сентября 1981 г., Франкфурт-на-Майне) открыли этой системе электрических токов широкий путь в промышленность. Начиналась эпоха электрификации.

6.4. Возникновение районных электростанций и энергетических систем

Создание трехфазной системы явилось важнейшим этапом в развитии техники. Эта система вывела проблему передачи электроэнергии, а вместе с ней и электротехнику из кризисного состояния, которое сложилось в 80-х годах прошлого века. Производительные силы получили новую техническую базу, во многом сп собствовавшую углублению и расширению процесса концентрации и централизации производства. Электрическая энергии которая могла теперь передаваться в удаленные промышленные районы, вызвала коренную реконструкцию энергохозяйства промышленных предприятий и начала внедряться в технологию. Процесс электрификации постепенно захватывал все новые области производственной деятельности, революционизировал развитие производительных сил и не мог не привести к глубоким социальным изменениям.

Первой в мире эксплуатировавшейся трехфазном электростанцией была Лауфенская. После закрытия Франкфуртской выставки электростанция в Лауфене перешла в собственность города Хейльбронна, расположенного в 12 км от Лауфена. Эта установка была пущена в эксплуатацию в начале 1892 г. На гидростанции были установлены два одинаковых трехфазных синхронных генератора. Напряжение (фазное) при помощи трансформаторов повышалось с 50 до 5000 В. Электроэнергия использовалась для питания всей городской осветительной сети, а также ряда небольших заводов и мастерских. Понижающие трансформаторы устанавливались непосредственно у потребителей.

В том же 1892 г. была сдана в эксплуатацию линия Бюлах-Эр-ликон (Швейцария). Машины для электростанции были спроектированы еще во время подготовки Франкфуртской выставки швейцарской фирмой «Эрликон». У водопада в Бюлахе была построена гидроэлектростанция с тремя трехфазными генераторами мощностью 150 кВт каждый. Электроэнергия передавалась на расстояние 23 км для электроснабжения завода. Вслед за этими первыми установками началось довольно быстрое строительство ряда электростанции, причем наибольшее их число было в Германии.

Известные трудности в развитии электрификации на базе трехфазных систем возникали в связи с тем, что уже раньше в городах были построены станции постоянного или однофазного токов, а иногда и двухфазные. Владельцы и акционеры этих станций и электрических сетей всячески препятствовали внедрению трехфазной системы. Некоторым выходом явилось сочетание трехфазной электропередачи с распределением энергии на постоянном токе. Например, в 1893 г. в Боккенгейме (пригород Франкфурта) была сооружена электростанция с двумя трехфазными генераторами (по 150 кВт). Напряженно при помощи трансформаторов повышалось с 80 до 700 В, и энергии передавалась на подстанцию, находившуюся н центре промышленного района и удаленную от электростанции на 1,2 км. Большая часть энергии на подстанции преобразовывалась двигатель-генераторной установкой в энергию постоянного тока, которая и распределялась для электрического освещения. Аналогичное решение было принято несколько позднее при строительстве электростанции и северной части Берлина.

Первая трехфазная установка в Америке была сооружена в конце 1893 г. и Калифорнии. Гидроэлектростанция располагала двумя генераторами мощностью по 250 кВт. Or электростанции были проведены две линии генераторного напряжении (2500 В). Первая из них длиной 12 км поставляла энергию для осветительных целей, а вторая длиной 7,5 км предназначалась для питания трехфазного асинхронного двигателя мощностью 150 кВг.

Темпы внедрения трехфазной системы н Америке вначале были заметно ниже, чем в Европе. Это объясняется тем, что одна из крупнейших американских фирм — компания «.Вестннгауз» — настойчиво пыталась развернуть работы по сооружению электростанции и электрических сетей по системе Тесла. Высшим достижением двухфазной системы считалась грандиозная по тому времени электростанция на Ниагарском водопаде, пущенная в эксплуатацию в 1896 г.

В последней трети прошлого пека стали разрабатываться проекты электрической передачи энергии Ниагарских водопадов. В 1889 г. была образована компания, которая приобрела право использования мощности 450 000 л.с. и приступила к подготовке строительства гидроэлектростанции. Совещание крупных инженеров и ученых, созванное для обсуждения вариантов проектов будущей станции, согласилось с предложением применить двухфазную систему Тесла.

Фирме «Вестингауз Электрик» были заказаны три двухфазных генератора по 5000 л.с, каждый с напряжением 2400 В, а другой фирме — гидротурбины по 5150 л.с. В короткий срок были выполнены большие строительные работы, и в ноябре 1896 г. невиданная до тех пор по размерам и мощности электростанция была открыта. Еще в период строительства Ниагарской ГЭС выяснилось, что спрос на электроэнергию в этом районе будет очень велик и проектная мощность станции окажется недостаточной. Поэтому сразу же началось расширение станции, и к началу текущего столетия число агрегатов было увеличено до восьми, а общая мощность возросла до 40 ООО л.с. На рис. 6.12 показан машинный зал Ниагарской гидроэлектростанции, который и сегодня выглядит вполне современным.

Пример Ниагарской электростанции показывает, что с первых шагов крупного гидроэлектростроительства дешевая энергия ГЭС получила широкое применение для электрохимических и электротермических процессов (производство алюминия, карборунда, карбида кальция и др.), то есть там, где электроэнергия играет основную технологическую роль.

Американская фирма «Дженерал Электрик», основной оппонент фирмы «Вестингауз», теперь быстро переориентировалась и опять же в противовес конкурирующей фирме развила бурную деятельность по сооружению трехфазных установок. На этот раз проиграла фирма «Вестингауз»: Ниагарская гидроэлектростанция со временем была переоборудована в трехфазную.

Для переходного периода в любой области техники, и в области электротехники в частности весьма характерны попытки комбинирования устаревающих и новых технических решений. Так, в течение почти двух десятилетий, начиная с 1891 г., были сделаны попытки «примирить» трехфазные системы с другими системами.

В эти годы существовали электростанции, на которых одновременно работали генераторы постоянного, переменного однофазного тока, двухфазные и трехфазные или любая их комбинация. Напряжения и частоты были различными, потребители питались по раздельным линиям. Попытки спасти устаревающие системы, а вместе с ними и освоенное заводами электрооборудование, приводили к созданию комбинированных систем. Такими в частности являлись так называемые моноциклические и полициклические системы переменного токов, а также комбинированная система постоянного и переменного токов.

Наиболее известной из комбинированных систем является схема, предложенная в 1894 г. Скоттом. В основе этой схемы лежит так называемый «трансформатор Скотта», предназначенный для взаимного преобразования токов двухфазной и трехфазной систем.

Однако судьба комбинированных систем, равно как и систем электроснабжения постоянным и однофазным переменным токами, была предрешена, и уже с 1901—1905 гг. в основном сооружаются трехфазные электростанции. Главной причиной успехов новой системы был быстрый рост промышленного потребления электроэнергии, тогда как построенные ранее станции удовлетворяли главным образом нужды населения. Поэтому первые трехфазные электростанции представляли собой чаще всего станции фабрично-заводского типа.

Перевозка по железным дорогам топлива, особенно его низкокалорийных сортов, обходится дорого. Гораздо удобнее было строить крупные электростанции на месте добычи топлива, на водопаде или на подходящей реке, а вырабатываемую энергию транспортировать по линиям электропередачи в промышленные районы и города. Трехфазная техника позволяла полностью решать эту проблему. Такие электростанции, расположенные непосредственно у источников энергии, стали называть районными.

Первые районные электростанции были построены во второй половине 90-х годов прошлого столетия, а в текущем столетии они составили основу развития электроэнергетики. Первой районной электростанцией считают Ниагарскую ГЭС.

Широкое развитие строительство районных электростанций приобрело с начала XX в. Этому способствовал рост потребления электроэнергии, связанный с внедрением в промышленность электропривода, развитием электрического транспорта и расширением масштабов электрического освещения городов.

Мощности районных электростанций быстро возрастали от нескольких десятков тысяч киловатт (до Перной мировой войны) до 100 000 к Вт (после войны).

На рубеже XIX н XX вв. были уже достаточно выяснены преимущества и возможности трехфазной техники. Развитие городских се гей делало экономически нецелесообразным существование в одном юроде многих мелких станций, и они закрывались одна за другой. Электрические станции становились крупными промышленными предприятиями по выработке электроэнергии; сети разных станций объединялись, создавались первые энергетические системы. Под энергетической системой понимают совокупность электростанций липни электропередачи, подстанций н тепловых сетей, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической и тепловой энергии, Схема на рис. 6.13 дает представление об энергетической системе и примерном распределении энергии между электростанциями и видами потребления.

Электростанции работали изолированно, каждая имела свою нагрузку. При изолированной работе станций не было большой необходимости устанавливать стандартные частоты и напряжения, к последние принимались в зависимости от конкретных условий данной станции. Последствия этого еще долго сказывались в некоторых странах: например, в США и Японии приходилось подключать на параллельную работу электростанции, работавшие при различных частотах (50 и 60 Гц). Потребность объединить работу нескольких электростанций на общую сеть стала проявляться уже в 90-х годах прошлого столетия. Было выяснено, что при совместной работе уменьшается необходимый резерв на каждой станции в отдельности, появляется возможность ремонта оборудования без отключения основных потребителей, создаются условия для выравнивания графика нагрузки базисных станций, для более эффективного использования энергетических ресурсов.

Включение на параллельную работу электростанций постоянного тока не вызывало особых затруднений, если эти станции имели одинаковые напряжения и были расположены недалеко одна от другой. Но нередко нужно было объединять работу станций, расположенных в районах, удаленных друг от друга. Низкое напряжение, принятое на станциях' постоянного тока, не позволяло осуществить непосредственное их соединение линией постоянного тока. В таком случае приходилось прибегать к преобразованию постоянного тока в переменный ток высокого напряжения. На электростанциях устанавливались двигатель-генераторные преобразователи, и станции связывались между собой линией переменного тока.

Первое известное объединение двух трехфазных электростанций было осуществлено в 1892 г. в Швейцарии. Две небольшие электростанции — в Глэдфельдене (120 кВ • А) и Гохфельдене (360 кВ • А) — соединялись двухкилометровой линией 5 кВ и питали распределительную сеть завода фирмы «Эрликон» по линии передачи протяженностью 24 км при напряжении 13 кВ. Возбуждение генераторов первой станции регулировалось со щита управления второй.

Однако в первое десятилетие посте этого опыта объединение электрических станций еще не получило заметного развития. Положение изменилось только с возникновением крупных районных электростанций, особенно посте 1900 г. Так, в 1905 г. в США уже работали три крупные для того времени энергетические системы: Южно-Калифорнийская, в районе Сан-Франциско и в штате Юта. Первая из этих систем (компания Эдисона) объединяла четыре гидравлические станции и четыре тепловые с общей установленной мощностью около 12 тыс. кВт. Сеть этой системы напряжение ем 2—30 кВ имела общую протяженность 960 км и охватывала 18 городов.

Русские электротехники сумели очень быстро оценить достоинства трехфазной системы. Уже в январе 1892 г. на четвертой Петербургской электротехнической выставке проф. И. И. Боргман демонстрировал трехфазные машины системы Доливо-Добровольского. На этой выставке работали две трехфазные машины мощностью по 15 кВт.

В России первым предприятием с трехфазным электроснабжением был Новороссийский элеватор. Он представлял собой грандиозное сооружение, и задача распределения энергии по его этажам и различным зданиям могла быть решена наилучшим образом только с помощью электричества. Строитель элеватора инженер А. Н. Щенснович решил применить только что ставшую известной трехфазную систему. Летом 1892 г. швейцарскому заводу фирмы «Броун-Бовери» были заказаны чертежи трехфазных машин. В стедующем 1893 г. элеватор был электрифицирован. Интересно, что все машины по разработанным за границей проектам изготовлялись в собственных мастерских элеватора.

На электростанции, построенной рядом с элеватором, были установлены четыре синхронных генератора мощностью 300 кВ каждый. Таким образом, общая мощность электростанции составляла 1200 кВ • А , то есть это была в то время самая мощная в мире трехфазная электростанция. В помещениях элеватора работали| трехфазные двигатели мощностью 3,5—15 кВт, которые приводили в действие различные машины и механизмы. Часть энергии использовалась для освещения.

Представляет интерес электрификация Охтенского порохового завода в Петербурге. Ее организаторы — В. Н. Чиколев и Р. Э. Класссон — решили осуществить передачу и распределение энергии с помощью трехфазных цепей. На гидростанции работали дна генератора мощностью 120 и 175 кВт. Оба генератора могли работать независимо друг от друга, так как были построены отдельные линии, но они могли включаться также и на параллельную работу. Наибольшая длина передачи составляла 2,66 км. Нагрузку составляли девять электродвигателей, из которых одни имел мощность 65 л.с, три — по 20 л.с. и пять — 10 л.с. Кроме того, дна двигателя по 1,5 л.с. были установлены на гидростанции для привета щитовых затворов. Часть энергии для питания дуговых ламп преобразовывалась в энергию постоянного тока.

Охтенская установка представляла собой в то время последнее слово техники. Ее основной создатель, выдающийся русский инженер Р. Э. Классон, дал прогрессивное инженерное решение задачи централизованного электроснабжения промышленного предприятия.

Первой в России электропередачей значительной протяженности была установка на Павловском прииске Ленского золотопромышленного района в Сибири. Электростанция была построена в 1896 г. на реке Ныгра. Здесь были установлены трехфазный генератор 98 кВт, 600 об/мин, 140 В и трансформатор соответствующей мощности, повышавший напряжение до 10 кВ. Электроэнергия передавалась на прииск, удаленный от станции на 21 км. На прииске для привода водоотливных устройств использовались трехфазные асинхронные двигатели мощностью 6,5—25 л.с. (напряжение 260 В). Так постепенно расширялось в России строительство трехфазных электростанций.

С 1897 г. началась электрификация крупных городов (Москва, Петербург, Самара, Киев, Рига, Харьков и др.).

Первой районной электростанцией в России была небольшая гидроэлектростанция «Белый уголь* (вблизи г. Ессентуки), построенная в 1903 г. Эта электростанция по четырем воздушным трехфазным линиям протяженностью 6—20 км питала города минераловодской группы.

Единственной крупной районной электростанцией дореволюционной России была станция «Электропередача» в г. Богородске (ныне г. Ногинск), сооруженная на средства «Общества электрического освещения 1886 г.». Руководителем строительства станции и ее сети был Роберт Эдуардович Классон (1868—1926 гг.). На станции были установлены три турбогенератора по 5000 л.с, 1500 об/мин, 6600 В, 50 Гц. Напряжение повышалось при помощи трансформаторной группы до 70 кВ. Линия передачи Богородск— Москва имела протяженность более 70 км, и в конце ее, в Измайлове (Москва), была построена понижающая подстанция. В Москве, на территории завода Гужона (теперь «Серп и Молот»), линия Измайловской подстанции была соединена с городской сетью несколькими кабелями. Так, в Москве была создана первая, еще несовершенная электрическая система, включающая в себя две электростанции (на Раушской набережной и в Богородске), сети которых были соединены на их периферии.

Вторая из двух дореволюционных небольших электроэнергетических систем находилась на юге, где довольно разветвленная кабельная сеть 20 кВ питалась от двух бакинских электростанций, мощность которых к 1914 г. достигла 36,5 и 11 тыс. кВт.

Богородская электростанция (ныне ГРЭС имени Классона), сданная в эксплуатацию в 1914 г., явилась для своего времени самой крупной в мире электростанцией на торфе. Эта станция питала электроэнергией важнейшие предприятия Москвы в тяжелые годы гражданской войны. После окончания войны крупные районные электрические станции стали основным звеном плана электрификации России.

6.5. Электропривод, электротранспорт и электротехнология

Как известно, одними из наиболее распространенных в промышленности являются механические процессы. Поэтому уже в 70—80-х годах прошлого столетия начинает проявляться стремление электрифицировать эти процессы, т.е. осуществить электрический привод различных исполнительных механизмов. Однако до начала 90-х годов применение электропривода носило эпизодический характер. Лишь в некоторых случаях, когда предприятия располагали блок-станциями для электрического освещения, электродвигатели применялись для привода вентиляторов, насосов, подъемников и других механизмов.

Положение изменилось коренным образом в связи с изобретением асинхронного двигателя. В достаточно короткий срок этот тип двигателя занял доминирующее положение в системе электропривода промышленных предприятий.

Одним из важнейших преимуществ асинхронного двигателя перед двигателями постоянного тока является отсутствие у него коллектора. Чрезвычайная простота асинхронного двигателя, особенно с короткозамкнутым ротором, его надежность и невысокая стоимость позволяют установить в любом цехе сотни и тысячи двигателей при небольшом обслуживающем персонале. Такие двигатели могут выполняться в герметических корпусах, и, следовательно, их можно использовать в тяжелых условиях: в атмосфере повышенной влажности, бензиновых паров и т.п. Асинхронные двигатели без повреждений выдерживают значительные кратковременные перегрузки, тогда как в двигателях постоянного тока любая перегрузка ускоряет износ коллектора.

Существенным недостатком асинхронного двигателя является трудность регулирования частоты вращения. Поэтому до настоящего времени еще очень велик удельный вес регулируемых машин постоянного тока в системе промышленного электропривода. Недостатком асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором также является ограничение их мощности условиями пуска. Это обстоятельство в начальный период развития трехфазной техники, когда мощности электрических станций были невелики, заставляло во многих случаях отказываться от применения двигателей с короткозамкнутым ротором. Мощные двигатели с короткозамкнутым ротором применялись только в случаях, когда они питались от отдельного генератора. Такие установки часто устраивались, например, в водокачках.

Были сделаны некоторые попытки повысить мощность двигателей с короткозамкнутым ротором. Так, в 1892 т. М. О. Доливо-Добровольский разработал метод автотрансформаторного пуска асинхронных двигателей, то есть пуска при пониженном напряжении, но при этом значительно (пропорционально квадрату напряжения) уменьшался вращающий момент. В 1893 г. Доливо-Добровольский изобрел ротор с двойной беличьей клеткой. Эти изобретения получили некоторое распространение. Однако наиболее совершенный тип ротора с двойной беличьей клеткой, равно как и ротор с глубоким пазом, получили весьма широкое развитие только в 20-х годах текущего столетия. Основным типом асинхронного двигателя большой мощности и 90-х годах прошлого и начале текущего столетий оставался двигатель с фазным ротором. Он был удобен еще и потому, что позволял в случае необходимости регулировать частоту вращения при помощи реостатов, хотя при этом терялась значительная мощность.

В конце 90-х годов асинхронные электродвигатели уже выпускались в значительном количестве и в большом диапазоне мощностей. Характеристики этих электродвигателей были вполне удовлетворительными (например, асинхронные двигатели фирмы АЭГ мощностью5 л.с. имели КПД 85 %, a cos ф выше 0.9).

Электрификация вытесняла из системы промышленного привода паровую машину. Паровой двигатель производственных цехов переходил в машинные залы электростанций, становясь первичным двигателем, дающим энергию вторичным двигателям — электрическим.

Практически развитие электропривода происходило двумя неравнозначными путями. Первый, наиболее типичный — замена паровых двигателей, работавших на трансмиссию. Это был путь создания крупногруппового электропривода, который не исключал тяжелых производственно-гигиенических условий, определявшихся наличием трансмиссий. Второй путь — эпизодическое применение одиночного привода. Последнее, как правило, имело место только в случае крупных ответственных исполнительных механизмов, предъявлявших специфические требования к приводному двигателю (привод кранов, центрифуг, прокатных станов и прочее). Но уже в конце 90-х годов XIX в. практика наглядно убеждала в преимуществах одиночного привода.

Последний вид привода освобождает промышленное предприятие от трансмиссий и, главное, позволяет работать каждому отдельному исполнительному механизму при переменных нагрузках и наивыгоднейших скоростях, а также позволяет ускорить пуск и изменение направления вращения. Одиночный привод оказал существенное влияние и на конструкцию самого исполнительного механизма. Сближение приводного двигателя с исполнительным механизмом иногда получалось настолько тесным, что конструктивно они представляли собой единое целое. Например, в случае электропривода рольганга ролик, служащий для перемещения металла, является наружным ротором асинхронного двигателя.

В 70-х и особенно 80-х годах проводилось много работ по применению электричества на транспорте. Так называемые конно-железные дороги уже не удовлетворяли возросших потребностей городского населения, а применение парового городского транспорта оказалось неприемлемым вследствие дыма и копоти. Реальная возможность для проведения опытов по электрификации транспорта появилась после изобретения генератора Грамма.

Во всех случаях, когда электрическая энергия для питания тягового двигателя генерировалась гальванической или аккумуляторной батареей, техническое решение шло в направлении создания автономных устройств тяги, то есть таких, в которых как генерирующая установка, так и электродвигатель были размещены на самом экипаже или судне. Когда же для выработки электроэнергии стали применять генераторы Грамма, приводимые в действие соответствующими паровыми агрегатами, система электрической автономной тяги перестала распространяться. Проблема электрической тяги могла найти свое решение лишь при условии разработки приемов экономичной передачи электроэнергии от места ее генерирования к движущемуся экипажу, вагону и т.п. Таким образом, электрическая тяга могла развиваться в виде неавтономной тяги с применением методов экономичной передачи электроэнергии на расстояние.

Система автономной электрической тяги, однако, не была полностью отвергнута; усовершенствование аккумуляторов позволило устраивать систему автономной тяги, пользуясь смонтированной в вагоне или на судне аккумуляторной батареей, током от которой питался электродвигатель. В начале XX в. получила развитие автономная «теплоэлектрическая тяга».

В 1879 г. В. Сименсом была построена первая небольшая электрическая железная дорога на промышленной выставке (рис. 6.14). Электрическая энергия по отдельному контактному рельсу передавалась к двигателю небольшого вагона, напоминавшего собой современную аккумуляторную тележку (электрокар); обратным проводом служили рельсы, по которым двигался «локомотив». К последнему были прицеплены три тележки, на которых могли разместиться 18 пассажиров.

Первые опыты неавтономной электрической тяга в России был проведены Ф. А. Пироцким. Еще 1875—1876 гг. он использовал для передачи электроэнергии обычный железнодорожный рельсовый путь. Чтобы улучшить проводимость рельсового пути, он применил стыковые электрические соединения, а для усиления изоляции друг от друга двух ниток рельсов одной колеи (они были изолированы через слой окалины и шпалы) — смазку подошвы рель сов асфальтом.

В августе 1880 г. Пироцкий осуществил пуск электрического трамвая на опытной линии в районе Рождественского парка кон ной железной дороги в Петербурге. Питалась эта линия от небольшой электростанции, построенной в парке, с генератором мощностью 4, а позднее 6 л.с. Под трамвайный электровагон был приспособлен двухъярусный вагон конной железной дороги (вес с пассажирами 6,5—7,0 т), к раме которого был подвешен электродвигатель, приводивший в движение ведущую ось через двухступенчатую зубчатую передачу. Схема, предложенная Пироцким некоторое время применялась для питания трамвайной сети и з рубежом. Она была достаточно проста и давала возможность обойтись без третьего рельса, затруднявшего уличное движение и усложнявшее все сооружение. Недостатком такой схемы было наличие больших потерь электроэнергии от токов утечки из-за плохой изоляции рельсов.

После изобретения способа питания от верхнего контактного провода, сделанного в 1883 г. независимо Ван-Депулем (США) и В. Сименсом (Германия), схема питания по двум рельсам перестала применяться на электротранспорте, если не считать ее применения в настоящее время для автоблокировки. Заслугой Пироцкого является также введение зубчатой передачи (вместо ременной) от вала двигателя к колесам. В 1889 г. подобный же передаточный механизм, получивший название «трамвайного привода», был применен Спрэгом в США.

С 1883 г. действовала линия трамвая в Портуме (Ирландия) длиной 9,6 км; в 1884 г. были открыты для эксплуатации трамвайные линии в Брайтоне (Англия) длиной 1,5 км и во Франкфурте-на-Майне длиной 6,56 км. Первый трамвай в бывшей России, киевский, был пущен для общего пользования в 1892 г., причем решение о строительстве трамвайной линии было принято лишь после того, как убедились, что ни конная, ни паровая тяга не способны преодолеть крутой подъем от Подола к Крещатику. Трамвайная линия соединила густонаселенную окраину Киева с центром города.

На электрическом транспорте почти исключительное применение получил постоянный ток, обеспечивающий надежную работу тяговых электродвигателей и удобное регулирование скорости. Поэтому по мере развития техники переменного тока пришлось сооружать преобразовательные подстанции.

Наиболее естественным и поэтому первым по времени преобразователем переменного тока в постоянный была двигатель-генераторная установка. В 1885—1889 гг. создаются первые одноякорные преобразователи переменных токов в постоянный, которые в каждом случае представляли собой комбинацию синхронного электродвигателя и генератора постоянного тока с общим якорем. Одноякорный преобразователь обладает рядом существенных преимуществ перед двигатель-генераторной установкой: снижение на 30—40 % веса, значительная экономия места (до 50 %), высокий КПД. Одноякорные преобразователи в 90-х годах прошлого и начале настоящего столетий получили очень широкое распространение, особенно в тяговых установках, однако позднее, уже в 20-х годах, они начали вытесняться новым мощным средством преобразовательной техники - понными, а в последнее время — тиристорными преобразователями.

Централизованное производство электроэнергии позволило в широких масштабах приступить к электрификации и пригородного транспорта; расширяется электрификация заводских н рудничных железных дорог. Однако очень скоро стало ясно, что трамвайный транспорт не может полностью удовлетворить потребность в быстром перемещении огромных масс люден в крупнейших промышленных центрах. Значительно увеличить скорость и удобство пассажирских перевозок удалось путем сооружении метрополитенов (надземных и подземных железных дорог). Слово «метрополитен» в буквальном переводе означает «столичный», т.е. предназначенный для столиц.

В 1893 г. была предпринята постройка большой надземной электрической железной дороги в Берлине, которая проектировалась В. Сименсом еще в 1879 г. Рельсы этой железной дороги были уложены по эстакаде, протянувшейся вдоль широких улиц. Другая надземная железная дорога, соединявшая ряд промышленных городов от Эльберфельда до Бармена (Германия), отличалась от берлинской тем, что рельсы, по которым двигался вагон, находились над ним, т.е. вагон «подвешивался» на двух или четырех колесах.

Более подходящей для внешнего вида улиц, увеличения пропускной способности, уменьшения шума и прочее оказалась подземная дорога. Подземные дороги с паровой тягой строились еще до 90-х годов прошлого века (например, метрополитен в Лондоне был построен в 1860—.1863 гг., а переведен на электрическую тягу в 1890 г.). Одной из первых подземных железных дорог, которая сразу строилась как электрическая, явился метрополитен в Будапеште (1896 г.). Сооружение его велось открытым способом: вдоль улицы вырывали глубокую канаву, бетонировали ее дно и стенки, а затем закрывали сверху железными балками и, соорудив заново мостовую, восстанавливали прежний вид улицы. Впоследствии для метрополитена стали, как правило, строить туннели глубокого залегания под землей, хотя кое-где сохранился еще и открытый метод сооружения. Вслед за первыми опытами электрификации городского транспорта уже в 90-х годах прошлого века делались попытки перевести на электротягу сначала пригородный, а затем и магистральные железные дороги с большой плотностью движения. Перспектива перевода на электротягу пригородных и магистральных железных дорог была весьма заманчивой: электрический транспорт дает возможность равномерно распределять мощность двигателей по длине поезда (так называемые мотор-вагонные секции), что позволяло увеличить общий вес поездов, а также скорость, даже при коротких длинах перегонов.

Развитие автономного электротранспорта нашло свое продолжение в появлении теплоэлектрической тяги. Этот вид транспорта, на котором сохраняются все преимущества электрической тяги при первичном тепловом двигателе (дизель), открывал чрезвычайно большие возможности. Тепловоз, например, является гораздо более экономичным и более автономным локомотивом, чем паровоз. Впервые теплоэлектрическая тяга была осуществлена в 1903—1904 гг. для привода нефтеналивных барж «Вандал» и «Сармат», построенных Сормовским заводом.

В дореволюционной России электрификация железных дорог не получила развития, несмотря на многочисленные проекты и выступления передовых русских деятелей, предлагавших электрифицировать важнейшие участки железных дорог. Даже начавшаяся электрификация дороги Петербург — Ораниенбаум не была завершена из-за Первой мировой войны. Остались нереализованными несколько проектов сооружения электрифицированных железных дорог на Кавказе и в' том числе электрификация участка Закавказской железной дороги на Сурамском перевале (проект был осуществлен после Октябрьской революции). Тепло-электрическая тяга на железных дорогах в дореволюционной России практически не получила никакого распространения.

Единственной областью применения электрической тяги в России был трамвай. С 1892 по 1900 г. трамвайное движение было открыто в 12 городах России. Всего до революции а России действовали 36 трамвайных предприятий в 35 городах. Сравнительно быстрое для дореволюционной России распространение трамвая объясняется значительно ускорившимся в конце XIX и начале ростом городского населения, связанным с быстрым развитием капиталистического производства. Так, с 1840 по 1915 г. городское население в России увеличилось почти в пять раз.

Громадное значение в развитии производительных сил сыграли новые отрасли промышленного производства, появление которых обусловливалось применением электрической энергии в качестве основного технологического фактора: промышленная электрохимия и электротермия.

Промышленная электрохимия зародилась вместе с гальванотехническими мастерскими и предприятиями по производству электролитическим путем кислорода и водорода.

Опыты по применению электрических дуговых печей для плавки руд, металлов и других веществ начались еще в конце 40-х годов, но лишь в 1878 г. Сименсу удалось создать такую конструкцию дуговой печи, что она могла использоваться в промышленном производстве.

Чтобы оценить значение электротермии в конце прошлого века, достаточно напомнить, что алюминий благодаря электротехнологии перестал быть драгоценным металлом. Уже в 1898 г. работало восемь заводов по производству алюминия, в том числе крупнейшие заводы у Ниагарского и Рейнского водопадов, дававших дешевую энергию. Вслед за металлургией алюминия начинает развиваться ряд других электротермических производств. В конце прошлого века был найден способ получения карборунда. Тогда же был разработан метод получения карбида кальция, который стал потребляться в больших количествах для выработки ацетилена. Позднее были изобретены и усовершенствованы различные конструкции электрических печей для электрометаллургии производства высококачественных сталей.

Важной областью применения электрической энергии явилась электрическая сварка. Еще в конце 60-х годов были проведены опыты использования электрического тока для сварки металлов. На Парижской выставке 1867 г. демонстрировался способ контактной сварки: электрический ток пропускался через два металлических предмета, плотно приложенных друг к другу и имевших соприкосновение в нескольких точках. Однако этот метод не получил тогда практического распространения вследствие своего несовершенства.

Первое решение этой проблемы принадлежит русскому изобретателю Н. Н. Бенардосу, положившему начало технике дуговой электросварки, которая нашла затем широкое применение в технологии. В 1886 г. Бенардос оформил свое изобретение русской привилегией, и его метод дуговой электросварки под названием «электрогефест» вошел в практику. Один полюс источника энергии, согласно методу Бенардоса, соединялся с угольным либо графитовым электродом, а другой — со свариваемым металлом (рис. 6.15 а). В зону электрической дуги вводился металлический стержень, который расплавлялся, застывал и сваривал предметы. Бенардос ввел различные усовершенствования в свой метод, в частности, он указал, что вместо угольного электрода можно использовать другие проводники, в том числе и металлы.

Иной способ сварки металлов был предложен Н. Г. Славяновым, который получил в 1891 г. привилегии на так называемую электрическую отливку металлов и электрическое уплотнение металлических отливок, в основу которых, как и в основу метода Бенардоса, было положено явление электрической дуги.

Свариваемое металлическое изделие (рис 6.15 б) соединялось с одним полюсом источника электрической энергии, а с другим — металлическим стержнем, закрепленным в «плавильнике». Электрическая дуга, появляющаяся между металлическим стержнем и свариваемым предметом, расплавляет металл, и поверхность обрабатываемого предмета соединяется (сливается) с наливаемым металлом, образуя посте застывания прочное соединение.

Н. Г. Славянов создал полуавтомат для металлического электрода— «плавильник», которым обеспечивалось регулирование длины дуги. Этот «плавильник» является предшественником автоматических сварочных установок. Славяновым была также предусмотрена шлаковая зашита расплавленного металла от воздействия окружающей среды, им применялись присадки различных ферросплавов. «Электрогефест» и «электрическая отливка металлов» получили широкое применение в России и в особенности на заводах Германии, Франции и Англии.

Отдельное направление в области электронагрева составило применение токов высокой частоты для выделения тепла непосредственно в обрабатываемом материале. По мере роста производства электроэнергии и ее удешевления электротермические процессы стали находить все большее применение на практике.

Постепенно электрификация захватывала все новые отрасли производства, проникала в сельское хозяйство, быт, медицину. Этот процесс углублялся и расширялся, электрификация прими» мала массовый характер.

«Героический период» электротехники завершился на рубеже прошлого и текущего столетий. Все основные технические устройства, предназначенные для производства, распределения и использования электроэнергии, били предложены и доведены до промышленных масштабов применения гамомерами электротехники в разных стратах. Потребность в производстве больших количеств электроэнергии для электрификации оказала влияние на всю первичную энергетику: гидроэнергетику и теплоэнергетику . Стал меняться весь облик городов и условия обитание: людей. Начинался XX век который сначала называли веком электричества, затем — веком электроники и кибернетики, наконец — веком информатики и вычислительной техники, но с наибольшим основанием его можно называть веком электрификации.

ГЛАВА 7 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА — БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ

Когда стали известны опыты Стефана Грея (1729 г.), в которых он производил электризацию человека, устроившегося на волосяных качелях, в одной из поэм появились такие строки:

Безумный Грей, что знал ты в самом деле

О свойствах силы той, неведомой доселе?

Разрешено ль тебе, безумец, рисковать

И человека с электричеством связать?

Человек «связан» с электричеством и по сей день. С каждым годом, десятилетием, столетием эта связь, а точнее, знания человека об электричестве углублялись, а сфера применений электрических и магнитных явлений непрерывно расширялась. Пионерские работы XIX столетия указали многие пути проникновения электротехнических устройств и технологий в промышленность, сельское хозяйство, медицину, быт, транспорт, связь. В XX веке продолжилось триумфальное шествие электротехники во всех указанных и других направлениях. Но со временем обнаружилась такая область, где прорыв оказался по своим последствиям равнозначным новой научно-технической революции — это электроника. По аналогии с электрификацией применение электроники в народном хозяйстве стали называть электронизацией.

Зарождение электроники было исторически обусловлено и вызвано потребностями в беспроводной связи.

Открытие электромагнитных волн и первые опыты с ними показали возможность их использования для беспроводной связи. Поэтому решающее влияние на развитие электроники оказало изобретение радио. Появление электронной лампы произвело целый переворот в . технике радиосвязи!, вызвало принципиальные изменения во многих ее направлениях, изменило темпы и характер развитая приемно-передающей техники. В течение последующих лет радиотехника заметаю влияла на использование электронных приборов в энергетике и технологам. И, между прочим, не случайно, электронная лампа многое года называлась «радиолампа».

Зарождение радиоэлектроники относится к концу прошлого столетия. Открытие электромагнитных волн и их экспериментальное исследование (Д. К. Максвелл, Г. Герц) привели к созданию первых генераторов и индикаторов электромагнитных волн, положили начало разработке более совершенных приборов и устройств для возбуждения и приема этих волн.

Идея радио носилась в воздухе. Дж. Генри и Г. Гельмгольц еще в 40-х годах прошлого века устанавливают колебательный характер искрового разряда. В 1850 г. Генри наблюдал индуктивные взаимодействия двух катушек на расстоянии около 80 м. Максвелл в 1873 г. изложил сущность явления электромагнитных волн, а Герц в 1888 г. осуществил их экспериментальное исследование. Вибратор и резонатор Герца — это крупнейшие ступени в предыстории радио. Герц работал с электромагнитными волнами в диапазоне 0,6—6 м.. Его волны были названы «лучами Герца», а от латинского «radius» — луч и вошло в жизнь слово «радио».

В 1891 т. французский физик Эдуард Бранли изобрел когерер — стеклянную трубку с металлическими опилками, оказавшуюся хорошим индикатором электромагнитных волн (впрочем, воздействие электромагнитных разрядов на изменение проводимости «плохих» контактов обнаруживалось и до Бранли).

В 1889 г. Александр Степанович Попов (1859—1906 гг.) прочел лекцию в Кронштадтском морском собрании на тему «Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическими явлениями». Закончил он эту лекцию словами: «Человеческий организм не имеет еще такого органа чувств, который замечал бы электромагнитные волны в эфире; если бы изобрести такой прибор, который заменил бы нам электромагнитные чувства, то его можно было бы применять к передаче сигналов на расстояние».

Насколько ясна была принципиальная постановка задачи, можно судить по статье известного ученого Крукса, опубликованной в феврале 1892 г. Там есть такие строки: «...электромагнитные волны длиной в ярд или более легко проходят через такую среду (стены, лондонский туман), которая для них прозрачна. Здесь открывается изумительная возможность телеграфирования без проводов... При реализации некоторых разумных предпосылок все это оказывается в пределах реального осуществления».

Изучив работы английского ученого О. Лоджа и французского физика Бранли и исследовав электропроводные свойства порошков различных металлов, А. С. Попов создал более совершенный, безотказно действующий индикатор электромагнитных волн и предложил оригинальный метод встряхивания когерера с помощью электромагнитного звонкового реле. Э. Бранли для восстановления чувствительности когерера встряхивал его руками. О. Лодж предложил для этих целей использовать часовой механизм. Но как автоматизировать этот процесс? Как «заставить» электромагнитную волну, воздействующую на когерер, автоматически восстановить его чувствительность? Эту проблему впервые успешно решил А. С. Попов. Присоединив к когереру вертикальный провод, он создал простейшую приемную антенну. Приемник А. С. Попова (рис. 7.1) работал следующим образом: при воздействии электромагнитной волны на когерер 1 металлические опилки слипались, сопротивление цепи уменьшалось, и якорь электромагнитного реле 2 притягивался и замыкал контактом 3 цепь «батарея 5 — звонковое реле 4», молоточек звонка притягивался к электромагниту, звонок фиксировал прием сигнала, при этом электрическая цепь размыкалась, и молоточек звонка, возвращаясь в исходное положение, ударял по когереру и восстанавливал его чувствительность; 6 — антенна; 7 — индуктивные катушки, повышавшие устойчивость работы приемника. Седьмого мая 1895 г. Попов публично демонстрировал радиоприемник, а в сентябре того же года, присоединив к схеме телеграфный аппарат Морзе, ввел запись принимаемых сигналов на ленту. Радиоприемник Попова — одно из наиболее совершенных электромагнитных автоматических устройств своего времени. Именно поэтому, а также вследствие большого влияния радиотехники на развитие промышленной электроники, здесь кратко рассмотрены первые шаги радиотехники.

В 1896 г. итальянцем Г. Маркони был получен патент на радиоприемник, схема которого была идентична схеме А. С. Попова. Поддерживаемый крупными английскими промышленниками, Г. Маркони построил мощный радиопередатчик (около 15 кВт) и сложную антенну и в 1901 г. передал радиосигналы через Атлантический океан.

В течение первого десятилетия нашего века создаются разные конструкции радиопередающих устройств — искровые, дуговые, электромашинные, совершенствуются детекторы (магнитные, термические электролитические).

Изобретение электронной лампы дало мощный импульс в развитии радиотехники. Действие электронной лампы основано на явлении термоэлектронной эмиссии, впервые наблюдавшемся, Эдисоном в 1883 г. и известном под названием «эффекта Эдисона». Занимаясь усовершенствованием электрических ламп накаливания, Эдисон обратил внимание на то, что стеклянная колба лампы сравнительно быстро покрывается темным налетом, а угольная нить перегорает. Стремясь увеличить срок службы нити и выяснить причины потемнения колбы, Эдисон произвел ряд экспериментов и обнаружил, что между угольной нитью и пластинкой (рис. 7.2) проходит электрический ток. Вначале это явление не получило правильного объяснения, но после открытия электрона было установлено, что Эдисон наблюдал эмиссию электронов. Дальнейшее изучение процессов происходивших в электрической лампе, внутри которой находился металлический электрод, соединенный с источником напряжения, показало, что подобное устройство способно пропускать ток только в одном направлению, то есть служить выпрямителем. В 1904 г, английский ученый Я; А. Флеминг разработал конструкцию двухэлектродной лампы — диода и предложил применять его в качестве детектора в радиоприемных устройствах. Но диоды, будучи еще несовершенными электровакуумными приборами, около 10 лет не получали широкого применения.

Последующие многочисленные эксперименты с двухэлектродной» лампой (Вайнтрауб, 1904 г.; Ли де Форест, 1907 г.) привели к установлению важного факта — возможности управления потоком электронов при помощи дополнительного металлического электрода — сетки. Такая конструкция трехэлектродной лампы получила название триода. Триод мог применяться не только для детектирования, но и для усиления электрических колебаний.

Исследования электронных ламп привели к открытию возможности использования триода в качестве генератора незатухающих электрических колебаний.

Над изобретением лампового генератора работали ученые разных стран. Наибольшую известность получила схема лампового генератора, предложенная в 1913 г. австрийским ученым А. Мейснером. После 1916 г. когда были освоены более совершенные методы откачки ламп, наступил период «технической зрелости» электронной лампы, и она стала основным элементом радиоэлектронных устройств. Важную роль в усовершенствовании первых конструкций приемно-усилительных и генераторных схем имели наряду с работами многих зарубежных ученых и инженеров труды наших соотечественников — Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруевича. Так, М. А. Бонч-Бруевичем в Нижегородской радиолаборатории, организованной в 1918 г., были созданы мощные генераторные лампы с водяным охлаждением и разработана теория триода.

В изучении электровакуумных процессов и расширении области применения электронных приборов большую роль сыграло открытие явления фотоэлектрического эффекта (1887-1889 гг., Г. Герц, В. Галльвакс, А. Г. Столетов).

Наиболее полное исследование явления внешнего фотоэффекта принадлежит А. Г. Столетову, схема одного из опытов которого изображена на рис. 7.3. Им было не только доказано, что отрицательно заряженный проводник теряет заряд при освещении его лучами света, но установлен закон пропорциональности между фототоком и интенсивностью световых лучей. Важное значение для последующего практического применения фотоэффекта имело установление Столетовым безынерционности этого явления. Им впервые были проведены исследования фотоэффекта в условиях вакуума. Созданная для этих целей установка явилась, по существу, первым вакуумным фотоэлементом. Первые практически пригодные вакуумные элементы с катодами из щелочных металлов были созданы в 1910 г. (Ю. Эльстер и Г Гейгер).

Исследования свойств селена, приведшие к созданию фотоэлемента с внутренним фотоэффектом, начались еще в прошлом веке. В 1873 г. англичанином В. Смитом было описано явление уменьшения сопротивления селена под воздействием света, а в 1876 г. был создан (В. Адамсом и Р. Е. Деем) селеновый фотоэлемент с запирающим слоем. Исследованием ЭДС, возникающей при освещении селена, занимался профессор Казанского университета В. А. Ульянин (1888 г.).

Явление внешнего фотоэффекта лежит в основе разнообразных фотоэлектрических приборов, например, фотоэлементов t внешним фотоэффектом. Внутренний фотоэффект используется в фоторезисторах, фотодиодах, фототранзисторах.

Ионные приборы развивались по двум направлениям, соответствующим типу их катодов: с жидким (ртутным) катодом (ртутные вентили) и с накаливаемым катодом (газотроны и тиратроны) .

В довоенный период развитие ионной техники в основном было связано с преобразованием переменного тока в постоянный (обратное преобразование — инвертирование — зародилось позднее и применялось реже).

В нашей стране первыми появились стеклянные ртутные вентили, изготовленные в 1921 г. Нижегородской радиолабораторией для выпрямительной высоковольтной (на 4 кВ) установки Свердловской, радиостанции. К концу 20-х годов было налажено производство высоковольтных (до 15 кВ) и низковольтных вентилей (250 В, 100 А).

Потребность в более мощных выпрямителях привела к созданию металлических вентилей, первый из них, 16-анодный, был построен в 1926 г. на заводе «Электросила» <ток 500 А, напряжение 600 В). Расширение производства отечественных вентилей позволило уже в начале 30-х годов резко сократить импорт ртутно-преобразовательных установок. .

В связи с индустриализацией страны потребовалось создать более мощные преобразователи, в первую очередь для электротранспорта, металлургических и металлообрабатывающих предприятий. Конструкции вентилей совершенствуются, создаются: анодный узел, препятствующий обратному зажиганию, а затем управляющие сетки. В середине 30-х годов выпускаются мощные вентили на токи до 5000 А (в частности, для Московского метрополитена) и первые инверторы, а в 1940 г. —- вентили с цилиндрическим корпусом мощностью более 4000 кВт.,

В 30-х годах были разработаны в США ртутные вентили нового типа (игнитроны), более простые по конструкции, с полупроводниковым зажигателем, обеспечивающим кратковременную дугу зажигания в каждый период переменного напряжения. В нашей стране первые стеклянные игнитроны с карборундовым зажигателем были разработаны в 1934 г., а их серийное производство началось в 1936 г. (ток до 50 А, напряжение — 120 В).

Первые отечественные высоковольтный вентиль и стеклянный игнитрон изображены на рис. 7.4. В связи с применением игнитронов на тяговых подстанциях потребовалось увеличить мощность этих вентилей. Так, были разработаны стеклянно-металлические и цельнометаллические игнитроны с водяным охлаждением (1938— 1939 гг.). К этому времени относятся первые разработки мощных дуговых вентилей для дальних линий электропередач. Проводятся исследования в области преобразовательных схем, в частности создаются преобразователи частоты для регулирования скорости асинхронных двигателей.

В 1943—1945 гг. начинается новый этап в развитии ионных приборов — выпуск одноанодных металлических вентилей, первых вентильных комплектов. В конце 40-х годов разрабатываются серии более совершенных ртутных выпрямителей с сетками управления и с автономной системой охлаждения, а в 50-х годах — многоанодные отпаянные ртутные вентили и одноанодные металлические игнитроны, а также ртутные вентили высокого напряжения для дальних линий передач постоянного тока. В эти же годы был создан другой тип вентиля — экзитрон, в котором в отличие от игнитрона дуга зажигания создается лишь перед включением вентиля, а поддержание вспомогательного катодного пятна осуществляется непрерывно существующей (дежурной) дугой возбуждения.

Еще недавно мощные ртутные вентили использовались в преобразовательных установках, общая мощность которых достигала десятков миллионов киловатт, в частности, в дальних линиях электропередач постоянного тока. Такие ртутные вентили выдерживали рабочее напряжение до 100 кВ при максимальных токах до 900 А (рис. 7.5). Но успехи современной Полупроводниковой техники позволили создать мощные полупроводниковые тиристоры, которые имеют преимущества перед ртутными вентилями.

Ионные приборы с накаленным катодом (газотроны и тиратроны) начали изготовляться в конце 20-х годов и в основном использовались в качестве преобразователей на меньшие то.си и напряжения (по сравнению с ртутными вентилями). Первый патент на газотрон был заявлен в 1905 г. в США, но более двух десятилетий не удалось его реализовать из-за отсутствия теоретических разработок в области газоразрядных приборов. Посте освоения газотронов одна из американских фирм тщательно скрывала секрет их изготовления даже внутри страны.

Впервые газотроны были применены в системах питания радио-устройств. В начале 30-х годов разрабатываются конструкции низковольтных газотронов, а в конце первой пятилетки создаются опытные экземпляры тиратронов (например, опытный образец тиратрона ТГ-162 выдерживал ток 40 А при обратном напряжении 15 кВ). В 1935—1937 гг. выпускаются серии тиратронов с ртутным и газовым (аргон, неон) наполнением. Однако срок службы этих приборов был невелик, и поэтому велись интенсивные исследования с целью усовершенствования их конструкций.

Застуживает внимания тот факт, что для первых опытных передач электроэнергии постоянным током в 1937 г. был построен (на заводе «Светлана») тиратрон на ток 450 А и напряжение 20 кВ.

Дальнейшая электрификация страны потребовала создания газотронов и тиратронов со стабильными характеристиками, большим сроком службы, способностью работать при повышенных частотах. Создаются новые типы экранированных тиратронов, имевших более стабильные характеристики и меньшие габариты.

Осваиваются новые серии тиратронов с ртутным и газовым наполнением с предельным обратным напряжением до 3 кВ, а также маломощных тиратронов для системы регулирования и управления. Позднее стали применяться тиратроны с водородным наполнением, отличающиеся значительно меньшим временем деионизации.

Были разработаны ртутные тиратроны на токи до 85 А и напряжением анода до 20 кВ, применявшиеся в основном в низкочастотных мощных высоковольтных выпрямителях и инвенторах. Тиратроны, наполненные инертными газами, использовались в схемах автоматического управления и регулирования в неуправляемых выпрямителях.

По мере возрастания мощности электронных устройств все более начинали проявляться недостатки электронных ламп: большое потребление энергии, значительные габариты и масса, небольшой срок службы.

Эти недостатки электронных ламп вынуждали ученых и инженеров разрабатывать электронные приборы с другими принципами действия. Успешному решению этой проблемы способствовали исследования в области полупроводников.,

В нашей стране начало созданию полупроводниковых приборов было положено О. В. Лосевым, исследовавшим кристаллические детекторы и создавшему на их основе усилитель, известный под названием «кристадин».

Последние десятилетия ознаменовались широчайшим развитием исследований и практических применений полупроводниковых элементов. Как известно, полупроводники по своей удельной электрической проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами и отличаются тем, что их электропроводностью можно управлять посредством внешних энергетических воздействий.

Свойства полупроводниковых элементов позволяют использовать их в качестве вентилей, усилителей, генераторов и преобразователей различных видов энергии в электрическую. Так, на основе фотоэлектрических свойств полупроводников созданы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Использование их термоэлектрических свойств дало возможность сконструировать терморезистсры, термоэлементы, термоэлектрические генераторы, термохолодильники и термостабилизаторы. Способность полупроводников реагировать на механическое воздействие явилась основой для создания тензометров.

Первые исследования свойств полупроводников относятся еще к прошлому веку. В конце второй половины XIX столетия были построены первые термобатареи, фоторезисторы и кристаллические детекторы, но недостаточное понимание свойств полупроводников не способствовало расширению области их применения.

Толчком к техническому применению полупроводников, в частности, полупроводниковых вентилей, явилось создание в 1926—1929 гг. (Л. Грондаль) меднозакисного вентиля. Основополагающая роль в разработке теории полупроводников и их техническом применении принадлежит отечественной шкале физиков под руководством академика А. Ф. Иоффе. Эти исследования начали проводиться в конце 20-х начале 30-х годов. Так, было введено понятие дырочной проводимости, указано влияние поимесей и температуры на механизм проводимости, было установлено повышение электропроводности в сильных электрических полях, разработана теория выпрямления. Важное практическое значение имсти исследования фотоэлектрических свойств полупроводников.

Первые меднозакисные выпрямители начали изготовляться в 1928—1930 гг. на электровакуумном заводе «Светлана», они применялись в схемах автоблокировки на железнодорожном транс порте. Разработка селеновых выпрямителей началась в 1938 г. Существенные успеха в довоенные годы были достигнуты в области изготовления фотоэлементов с запирающим сдоем.

В 1940 г. во Всесоюзном электротехническом институте имени В. И. Ленина, была разработана конструкция самовозбуждаюшетося синхронного генератора (75 кВ - А) с возбуждением от селеновых выпрямителей, получившего широкое применение в послевоенные годы. С 1943 г. по инициативе А. Ф. Иоффе начинается изготовление, полупроводниковых термогенераторов. В то же время разрабатываются полупроводниковые терморезисторы, использующиеся. схемы теплового контроля и автоматики. В США налаживается производств'» детекторов из германия и кремния, применявши чел н радиолокационных установках (выпрямляющие свойства германия и кремния были обнаружены в середине 20-х — начале 30-х годов).

В послевоенные годы в нашей стране значительно увеличилось производство малогабаритных терморезисторов, фоторезисторов и вариаторов, которые получили широкое применение в автоматических устройствах управления и контроля. В 50-х годах были внедрены полупроводниковые зажигатели из карбида кремния, предназначенные для ртутных вентилей. Начинаются исследования полупроводниковых сплавов металлов — ZnSb, Mg2Sn, Mg2Pb, на основе которых были созданы термогенераторы, холодильники и микрохолодильники.

В конце 40-х годов были разработаны полупроводниковые триоды из германия, получившие название транзисторов (1948 г., Д. Бардин и. У. Браттейн, США). Так было положено начало транзисторной электроники. Эти триоды выгодно отличаются от электронных ламп малыми габаритами, меньшим потреблением энергии, надежностью действия. Например, средние размеры полупроводниковых диодов и триодов составляют 0,015—0,3 см3, тогда как средний размер приемно-усилительной лампы 500—100 см . Мощность, потребляемая транзистором, составляет 0,001' Вт и менее, а аналогичные лампы только на накал расходуют до нескольких ватт.

Первые точечные транзисторы в нашей стране были изготовлены в 1949 г. (А. Красилов, С. Мадоян). В 1951—1953 гг. отечественные заводы начали массовое производство германиевых триодов и диодов, а в последующие годы — мощных германиевых выпрямителей. Но недостатки германиевых приборов, проявляющиеся при температурах свыше 50°С, заставили обратиться к кремниевым вентилям я триодам, выдерживающим температуру до 120—200°С.

В последующие десятилетия все шире применяются ферриты — ферромагнитные материалы, получаемые в результате химического соединения двухвалентных металлов (никель, марганец и окислы железа) или окислов металлов (цинк, кадмий и окислы железа). Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса используются для изготовления ячеек памяти и логических схем. Значительные преимущества отличают феррит-транзисторные ячейки, в которых сочетаются свойства ферритовых сердечников с усилительными свойствами транзисторов. Феррит-транзисторные ячейки применяются в устройствах вычислительной техники и автоматики.

Применение полупроводниковых приборов в электронике, автоматике, энергетике приобрело массовый характер. Все большее использование они находят в системах преобразования тока (выпрямление, инвертирование) и схемах управления мощными электроприводами. К ним относятся полупроводниковые диоды и тиристоры. Их преимущества: высокий КПД, долговечность и надежность, небольшие габариты, возможность регулирования тока и напряжения в широких пределах.

Мощные полупроводниковые диоды изготавливаются преимущественно из кремния и применяются в схемах выпрямления при напряжениях 200—4000 В и токах до 5000 А,

В качестве рабочего элемента в мощных управляемых тиристорах используют четырехслойные кристаллы кремния с чередующимися р- и «-областями. Первые приборы такого типа были описаны в 1956 г. Современные серийные тиристоры имеют воздушное или жидкостное охлаждение и рассчитаны на токи 2000 А н напряжение включения около 4000 В. Их быстрое распространение обусловлено значительными преимуществами перед тиратронами и другими ионными приборами, а также и транзисторами. Тиристоры не требуют подогрева, имеют малое радение прямого напряжения.

Одним из характерных направлений развития полупроводниковой электроники в последние десятилетия является интегральная микроэлектроника.

Начало микроэлектронике было положено в Англии в середине 40-х годов созданием тонкопленочных деталей. Однако широкое практическое применение микроминиатюризация получила только после создания транзистора»

Микроминиатюризация (уменьшение массы, габаритов, потребляемой мощности) в сочетании с повышением надежности, экономичности и возможности автоматизации производства изделий явилась важнейшим шагом на пути совершенствования радиоэлектронной аппаратуры.

Новейшим перспективным направлением микроминиатюризации явилось создание интегральных схем. Первые интегральные схемы были созданы в 1958 г. в США. Такими схемами называют микроминиатюрные функциональные узлы электронной аппаратуры, в которых элементы и соединительные проводники изготавливаются в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме полупроводникового материала и имеют общую герметическую оболочку.

Серийный промышленный выпуск интегральных схем был начат в 1962 г. Переход к интегральным схемам позволяет комплексно решить ряд важнейших проблем: наряду с микроминиатюризацией, повышением экономичности и автоматизацией производства значительно повышаются эксплуатационные характеристики аппаратуры.

В качестве примера зависимости объема изделия от технологии его изготовления можно привести следующие цифры:

  • в изделиях широкого потребления с обычными вакуумными приборами в 100 см3 объема содержится одна деталь;
  • при замене ламп полупроводниковыми элементами одна деталь уже приходится всего лишь на 1 см3 объема;
  • применение микромодульного монтажа позволяет разместить в 1 см 10—20 деталей. Плотность монтажа в интегральных схемах составляет 300—1000 деталей в 1 см3. Например, в наручных электронно-цифровых часах в одном кристалле размещено 5000 транзисторов.

Одним из важнейших этапов в развитии микроэлектроники явилось создание в 70-х годах больших интегральных схем (БИС). Количество элементов в БИС достигает нескольких сотен тысяч при минимальных размерах микросхемы 2—3 мкм. Быстродействие БИС несравнимо с обычными схемами, оно измеряется миллиардными долями секунды.

На основе БИС оказалось возможным создание важнейших элементов современных электронных устройств — микропроцессоров (рис. 7.6) и микроЭВМ. Микропроцессор — управляющее цифровое устройство, выполненное по технологии больших интегральных схем (чаще на одном кристалле полупроводника) и способное осуществлять под программным управлением обработку различной информации, арифметические и логические операции. Общая структура микропроцессора почти не отличается от структуры центрального процессора малых ЭВМ.

Микропроцессор с запоминающим устройством вместе со средствами ввода-вывода данных называется микроЭВМ или компьютером.

Широчайшее применение микропроцессоры и микроЭВМ получили в 80-х годах в управлении производственными процессами, системах связи и транспорта, бытовых устройствах. По подсчетам специалистов применение микропроцессоров, в частности, а приборостроении уменьшает трудоемкость в 10 раз, стоимость в 5 раз, габариты и потребляемую энергию в 10—20 раз и на порядок повышает надежность изделий.

Предполагается, что к 2000 г. уровень интеграции микросхем повысится на порядок, и тогда размеры элементов в таких схемах будут соизмеримыми с размерами некоторых бактерий или молекул. Такие микросхемы со сверхвысокой степенью интеграции обеспечат заметное увеличение быстродействия электронных устройств

ПОСЛЕСЛОВИЕ

Изучение истории человеческого общества вообще и истории техники в частности позволяют простелить сложный взаимосвязанный и взаимообусловленный процесс становления и развития человека и техники. Человек создавал все новые и более совершенные средства труда, повышал производительность своего труда и накапливал научные знания и массу производимого продукта.

Передавая часть своих функций технике, он наделял многие технические устройства такими качествами, которые ранее были присуши только человеку. Механические, электромагнитные, электронные, лазерные, химические, биологические, информационные и другие системы позволяли человеку все более и более познавать мир и гармонию Природы, достичь поистине непредсказуемого: с одной стороны созданные человеком гигантские технические объекты обладают мощностями, соизмеримыми с геофизическими и космическими, способными уничтожить все живое на Земле, с другой — ресурсы планеты, катастрофически истощаясь, уже не в состоянии удовлетворять технические и энергетические потребности общества.

Во всех развитых странах разрабатываются новые технологии накопления, преобразования и экономии потребления энергии, идет поиск наиболее технически доступных, экологически безопасных томлив, внедряются более эффективные и энергосберегающие технологии, мысли ученых обращаются к другим видам источников энергии, и в первую очередь к Солнцу. Человечество уже ищет выход за пределы планеты.

Опасность ядерной, генной, экологической катастроф привела государства с различным общественным строем к попытке подняться выше своих социально-экономических различий во имя общечеловеческих интересов н ценностей. Глобальные проблемы встают во весь свой рост и порой отодвигают на второй план то, что еще вчера казалось главным и определяющим. Надежность и безопасность работы современных гигантов промышленности, сохранение и защита окружающей среды, комфортные и здоровые условия жизни людей всех стран и континентов — вот те проблемы, которые волнуют ныне все человечество. Именно эти потребности формируют социальный заказ современной науке и технике. Совершенно очевидно, что электротехнике и электронике принадлежит одна из ведущих ролей в ролей в реализации этого сопельного заказа.

Научно-технический прогресс остановить нельзя.

Академик А. Д. Сахаров в своей статье «Мир через полвека», отмечая стремительный «разбег» научно-технического прогресса та протяжении тысячелетий, писал: «Я глубоко убежден, однако, что огромные материальные перспективы, которые заключены в научно-техническом прогрессе, при всей их исключительной важности н необходимости, не решают все же судьбы человечества сами по себе. Научно-технический прогресс не принесет счастья, если не будет дополняться чрезвычайно глубокими изменениям социальной, нравственной и культурной жизни человечества. Внутреннюю духовную жизнь людей, внутренние импульсы юс активности трудней всего прогнозировать, но именно от этого зависит в конечном итоге и гибель, и спасение цивилизации».

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Важнейшие труды деятелей науки и техники XVIII — XIX вв.

  1. Ампер А. Электродинамика. Изд-во АН СССР, 1954.
  2. Доливо-Добровольский М. О. Избранные труды о трехфазном токе. М.: Госэнергоиздат, 1948.
  3. Кирхгоф Г. Р. Избранные труды. М.: Наука, 1988.
  4. Ленц Э. X. Избранные труды. М.: Изд-во АН СССР, 1950.
  5. Ломоносов М. В. Избранные философские произведен». М.: Госполи- тиздат, 1950.
  6. Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии. М.: Гостехизаат, 1933.
  7. Максвелл Д. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поле. М.: Гос. изд. технико- теоретич. литературы, 1954.
  8. Петров В. В. Известие о гальвани-вольтовских опытах. М.: Гостехиздят, 1936.
  9. Петров В. В. да др. Избранные труды по электричеству /Под ред. Л. Д. Белькинда. М.: ПТЛ, 1956.
  10. Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. ТЛ. М.: , Изя-воАН СССР. 1947.

Общая литература по истории электротехники и современной электротехнике и электронике

  1. История энергетической техники СССР. Т.1 и 2. М.: Госэнергоиздат, 1957.
  2. Кузнецов Б. Г. История энергетической техники. М.: Гостехиздат, 1937.
  3. Белькинд Л. Д., Конфедератов И. Я., Шнейберг Я. А. История техники. М.: Госэнергоиздат, 1956.
  4. История техники/ А. А. Зворыкин, Н. И. Осьмова, В. И. Чернышев. С. В. Шухврдин. М.: Соцэкгиз, 1962.
  5. История энергетической техники/ Л. Д. Белькинд., О. Н. Веселоккий, И. Я. Конфедератов, Я. А. Шнейберг. М.: Госэнергоиздат, 1960.
  6. Кудрявцев П. С., Конфедератов И. Я. История физики и техники. М.: Учпедгиз, 1960.
  7. Динамомашина в ее историческом развитии: Документы и материалы/Поя рЙд. В. Ф. Миткевича. М.: Изд-во АН СССР. 1934.
  8. Электродвигатель в его историческом развитии: Документы и материалы/ Под. ред. В. Ф. Миткевича. М.: Изд-во АН СССР. 1936.
  9. Развитие электротехники в СССР/ Под ред. А.Г . Иосифьяна. М.: 1ШН- ТИ. 1962.
  10. Демирчяи К. С, Нетушил А. В. Развитие теоретической электротехник* за 60 лет Советской власти. Электричество. 1972. №12.
  11. Симоненко О. Д. Электротехническая наука в первой половине XX века.
  12. М.: Наука. 1988.
  13. Павел Николаевич Яблочков. Труды, документы и материалы. Составитель Л. Д. Белысинд. М.: Изд-во АН СССР, 1954.
  14. Белысинд Л. Д. Павел Николаевич Яблочков. М.: Госэнергоиздат, 1950.
  15. Велькинд Л. Д. Чарльз Протеус Штейнмец. М.: Наука, 1965.
  16. Белысинд Л. Д. Томас Альва Эднсои. М.: Наука. 1964.
  17. Вернал Дж. Наука в истории общества. М.: Изд-во иностр. лит., 1956.
  18. Бочарова М. Д. Электротехнические работы 5. С. Якоби. М.: Госэнергоиздат, 1959.
  19. Бочков В. Е. Когда же была изобретена лампочка накаливания// Электротехника, 1972., № 12.
  20. Веников В. А., Шнейберг Я. А. Мировоззренческие и воспитательные аспекты преподавания технических дисциплин. М.: Высш. шк., 1989.
  21. Веселовский О. Н. Михаил Осипович Додиво-Добровольский. М.. • Госэнергоиздат, 1958.
  22. Веселовсасий О. Н-. Шнейберг И. А. Энергетическая техника и ее развитие. М.: Высш. шк., 1986.
  23. Гусев С. А. Очерки по истории развития электрических машин. М.: Госэнергоиздат, 1955.
  24. Гусев С. А. Очерки по истории развития выключателей переменного тока. М.: Госэнергоиздат, 1958.
  25. Елисеев А. А. Василий Владимирович Петров. М.: Госэнергоиздат, 1949.
  26. Карцев В. П. Магнит за три тысячелетия. М.: Энергоатомиздат, ! 088.
  27. Карцев В. П. Михаил Полиевктович Костенко. М.: Наука, 19е'
  28. Нетушил А. В. Некоторые вопросы методического единства изложения разделов электротехники и электроники// Научно-методические статъи по электротехнике. М : Высш. шк., 1980.
  29. Кошманов В. В. Георг Ом. М.: Просвещение, 1980.
  30. Крьжановский Л. Н. Электрические машины XVIII в.//Электричество, 1988, № 2.
  31. Околотн В. С. Вольта. М.: Молодая гвардия, 1986.
  32. Ржонсницкий Б. Н. Ник ада Тесла. М.: Молодая гвардия, 1959.
  33. Родионов В. М, Черепнев А. И. Естествознание и техника. М.: Знание. 1974.
  34. Родионов В. М. Зарождение радиотехники. М.: Наука, 1985.
  35. Чеканов А. А„ Ржонсницкий Б. Н. Михаил Андреевич Шателен. М.: Наука. 1972.
  36. Xрамой А. В. Константин Иванович Константинов. М.: Сосэнергоиздат, 1951.
  37. Цверава Г. К. Анъош Йедлик. М.: Наука. 1972.
  38. Цверава Г. К. Никола Теста. М.: Наука, 1974.
  39. Цверава Г. К. Джозеф Генри. Л.. Наука, 1983.
  40. Шзтелен М. А. Русские электротехники XIX века. М.: Госэнергои здат, 1955.
  41. Шсейберг Я.А. У истоков электротехники. М.,: Учпедгиз, 1963
  42. Шнейберг Я.А. Василий Владимирович Петров. М.: Наука, 1985.
  43. Шнейберг Я. А. Основоположник научной теории электричества// Электричество, 1986, N911.
  44. Яроцкий А. В. Павел Львович Шиллиннг.М.: Изд-во АН СССР. 1963.
  45. Яроцкий А. В. Борис Семенович Якоби. М.: Наука, 1988.

 

Каталог продукции