История электротехники

Коллектив авторов

С 1883 г. действовала линия трамвая в г. Портуме (Ирландия) длиной 9,6 км; в 1884 г. были открыты для эксплуатации трамвайные линии в городах Брайтоне (Англия) длиной 1,5 км и Франкфурте-на-Майне (Германия) длиной 6,56 км. Первый трамвай в 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 ул. Подол 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 переменного тока 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: меньшая на 30–40% масса, значительно меньшие габариты (до 50%), высокий КПД.

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. В. Сименсу удалось создать такую конструкцию дуговой печи, что она могла использоваться в промышленном производстве [3.9].

Чтобы оценить значение электротермии в конце XIX в., достаточно напомнить, что алюминий благодаря электротехнологии перестал быть драгоценным металлом. Электролитический способ получения алюминия был разработан американским инженером Ч.М. Холлом и французским инженером П. Эру в 1886–1888 гг. Вслед за электролизом алюминия начинает развиваться ряд других электротермических производств. В конце XIX в. 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 производства высококачественных сталей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3.1. Белькинд Л.Д. Павел Николаевич Яблочков. М: Госэнергоиздат, 1950.

3.2. Белькинд Л.Д. Александр Николаевич Лодыгин. М: Госэнергоиздат, 1948.

3.3. Белькинд Л.Д. Томас Альва Эдисон. М.: Наука, 1964.

3.4. Ржонсницкий Б.Н. Федор Аполлонович Пироцкий. М. — Л. Госэнергоиздат, 1951.

3.5. Ржонсницкий Б.Н. Дмитрий Александрович Лачинов. М. — Л. Госэнергоиздат, 1949.

3.6. Цверава Г.К. Никола Тесла. М.: Наука, 1974.

3.7. Веселовский О.Н. Михаил Осипович Доливо-Добровольский. М.: Госэнергоиздат, 1958.

3.8. Доливо-Добровольский М.О. Избранные труды о трехфазном токе. М.: Госэнергоиздат, 1948.

3.9. Швецов М.С., Бородачев А.С. Развитие электротермической техники М.: Энергоатомиздат, 1983.

Глава 4.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

4.1. ВВЕДЕНИЕ

Теоретическая электротехника (ТЭ) как самостоятельное научное направление образовалась в результате синтеза физических представлений об электрических и магнитных полях, электрических цепях, математических методах для исследования и расчета электромагнитных явлений в технических устройствах. В этом качестве ТЭ является основой развития теории, методов расчета и синтеза широкого спектра электротехнических изделий. История развития ТЭ неотделима от развития электротехники и физики, поскольку открытие новых физических явлений и законов практически одновременно приводило к появлению новых электротехнических устройств. Характерно, что практически одновременно имели место открытие в 1831 г. закона электромагнитной индукции, т.е. возникновения электродвижущей силы в результате изменения потока вектора магнитной индукции М. Фарадеем, демонстрация в 1832 г. электрического генератора постоянного тока, созданного братьями Пиксии в Париже, и изобретение электродвигателя в 1834 г. Б.С. Якоби. Однако для создания серьезной теоретической, расчетной и проектной базы, а также глубокого изучения электромагнитных процессов в таких машинах и целенаправленного развития их конструкций потребовались многие десятилетия. Для ТЭ характерен учет влияния множества факторов и в этой связи усложнение картины протекания физических процессов, поскольку только при этих условиях стало возможным решить проблему создания и повышения эффективности новых электротехнических устройств. Именно необходимость учета множества факторов потребовала разработки методов создания соответствующего математического описания, т.е. математических моделей этих устройств.

Начальный этап становления ТЭ определялся не только историей развития физических представлений об электрических и магнитных явлениях. С созданием гальванических элементов, формулированием законов Ома и Кирхгофа, а также с началом практического

использования физических явлений, связанных с протеканием постоянного тока по проводникам, независимо от теории электромагнитного поля (ЭМП) появился новый раздел ТЭ, известный в настоящее время под названием «Теория электрических цепей». Вначале раздельное развитие этих двух направлений ТЭ было обусловлено тем, что расчет электрических цепей постоянного тока не требовал привлечения закона электромагнитной индукции и введения понятия токов смещения, т.е. использования всех законов ЭМП. Однако и в дальнейшем выявленные особенности описания процессов в электрических цепях и их математических моделей, даже при необходимости использовать уравнения ЭМП, позволили создавать специфические методы расчета и сохранять теорию электрических цепей в качестве самостоятельного раздела. В этом отношении показательна возможность вывода законов Кирхгофа без использования уравнений Максвелла, исходя только из топологических особенностей электрических цепей. По этой причине в ТЭ с самого начала ее становления относительно самостоятельно развивались исследования, связанные с явлениями, вызванными протеканием электрического тока по проводникам, образующим цепи (теория электрических цепей) и с эффектами взаимодействия электромагнитного поля с веществом (теория ЭМП). Таким образом, это разделение было вызвано не только историческими причинами и различиями в методах анализа и синтеза электрических цепей и электромагнитных полей, но и используемым при этом математическим аппаратом.

Поражающая воображение быстрота появления практических устройств на основе использования электромагнитных явлений способствовала ускоренному развитию производительных сил с конца XIX в. и существенным образом повлияла на становление ТЭ в качестве самостоятельной науки. Со времени открытия гальванических источников тока, электрической дуги и появления возможности практического использования этих открытий для освещения и электротермии прикладные аспекты использования ЭМП приобретают особое значение для развития производства. Именно это обстоятельство в первую очередь стимулировало развитие ТЭ в качестве самостоятельной отрасли науки.

4.2. СТАНОВЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ТЭ

Д.К. Максвелл в течение 1855–1873 гг., обобщив результаты экспериментальных исследований, известных в виде законов Ш. Кулона, А. Ампера, законов и идей М. Фарадея и Э.Х. Ленца сформировал на их основе систему уравнений ЭМП, описывающую поведение электромагнитного поля в общем случае. Впоследствии Г. Герц в 1884 и 1890 гг., О. Хевисайд в 1885 г., А. Эйнштейн в 1905 г., Г. Лоренц в 1909 г. и др. сформулировали варианты этой системы уравнений. С точки зрения теории математического моделирования система уравнений Максвелла является математической моделью электромагнитного поля для самого общего случая. Приспособление этой модели к конкретным свойствам исследуемого устройства и стало одной из основных задач ТЭ при создании общих методов разработки конкретных математических моделей, т.е. математического описания электромагнитных процессов в конкретном устройстве.

Становление ТЭ в области теории ЭМП протекало в период столкновения двух подходов толкования сути самих уравнений Д.К. Максвелла. В первом из них, характерном для ученых, придерживающихся позиций школы М. Фарадея и Д.К. Максвелла, математическое описание процессов производится на основе построения физической картины их протекания. Для подхода, характерного в основном для физиков немецкой школы, преимущественную роль играет сама математическая модель, которая является продуктом субъективного мыслительного процесса. Эти школы отражали принципиально различные подходы к толкованию результатов экспериментальных данных. В первом признается реальность существования электромагнитного поля в качестве особой формы материи и принципа близкодействия, т.е. взаимодействия, материальных тел через процесс, протекающий в разделяющем их пространстве. Для сторонников второго подхода, приверженцев принципа дальнодействия, по мнению которых взаимодействие тел происходит без участия какого-либо материального процесса в разделяющем эти тела пространстве, нет необходимости использовать ЭМП для объяснения процесса взаимодействия. Следует отметить, что при попытке понять картину физических процессов, представляющих ЭМП, физики столкнулись с дуальностью проявления света, а следовательно и ЭМП, когда явление фотоэффекта вынудило представить свет в качестве потока дискретных частиц-фотонов — квантов света, а дифракционные эффекты в виде волн. Этот двойственный характер поведения ЭМП и попытки создания адекватной математической модели послужили причиной появления новых физических концепций. Вследствие дуальности проявления ЭМП стало невозможным описать реальную картину поведения индивидуальных частиц и это заставило ввести в квантовую физику (на основе работ Н. Бора (1895–1962 гг.), Л. де-Бройля (1892–1987 гг.), Э. Шредингера (1887–1961 гг.), В. Гейзенберга (1901–1971 гг.), П. Дирака (1902–1984 гг.) и М. Борна (1882–1970 гг.)) понятий, определяющих только статистические, вероятностные особенности поведения множества частиц, в том числе фотонов и электронов.