Электротехника - основа 2 - й промышленной революции (история и развитие)

2.5.5.1. Статическое электричество

Электричество играет в нашей жизни огромную роль. Существуют два его типа: статический заряд и ток. Действие электричества знакомо человеку с древности. Но вплоть до конца ХVIII в. люди могли получать только статические заряды. Исследования электричества в те далекие годы были очень популярны, но лишь в XIX в ученые смогли постепенно расширить свои познания в этой области.

Первые эксперименты. В 1705г английский ученый Френсис Хоксби (1666-1713) обнаружил, что, если потереть стеклянный шар, внутри которого вакуум, начинает светиться. Источником света было электричество, а шар служил электрогенератором. Другой ученый, Стефан Грей (1666- 1736) своими экспериментами доказал, что электричество может передаваться через многие материалы, в том числе и через человеческое тело. Грей совершил первую «поездку» по проводу, по которому был пущен электрический ток,

повиснув под ним на канатах.

Хранение статического заряда. В 1745 г немецкий священник Эвальд фон Клейст (1700-1748) создал прибор, способный собирать и хранить статический заряд. Назвали прибор лейденской банкой, так как его разработали в Лейденском университете. Прибор представлял собой стеклянную банку. Внутренняя поверхность стекла накапливает статический заряд с помощью латунной проволоки, соединенной с генератором, аналогичным генератору Хоксби. Другой конец проволоки находится в воде, наполнявшей банку. Будучи заряжена, банка может хранить заряд, и прикоснувшийся к проволоке получит удар током. Одним из крупнейших исследователей электричества был Бсиджамин Франклин. Он родился г, США. в семье мастера по изготовлению свечей, у которою было 17 детей. За свою долгую жизнь Франклин освоил несколько профессий - печатника, издателя, политического деятеля. В 40 лет он увлекся электричеством, что в те годы было модно. В 1752 г. Франклин доказал, что молния - это электрический разряд. Он запустил воздушного змея с металлической пластиной в грозовую тучу. Когда молния ударила в пластину из нее посыпались искры. Этот опыт был очень опасным, и русского ученою Рихмана. попытавшегося его повторить, убило молнией, но опыт помог Франклину доказать, что грозовые тучи имеют статический заряд и что молния - очень мощный разряд. В том же году Франклин установил первый громоотвод в стене дома. Громоотвод улавливал молнию и безопасно для дома отводил ее разряд в землю.

2.5.5.2. Электрический ток

К концу ХVIII в. были выработаны первые представления об электричестве и изучены важнейшие явления электростатики. С начала XIX в. в центре изучения становится электрический ток. Этому способствовало открытие гальванических элементов, которые обнаружили обширную область явлений, связанных с постоянным электрическим током.

Новый период в развитии учения об электричестве начинается с работ итальянского физиолога Луиджи Гальвани (1737-1798), опубликовавшего в 1791 г. свой «Трактат о силах электричества при мышечном движении», и итальянского физика и физиолога Алессандро Вольта (1745- 1827), который в 1800 г. изобрелтак называемый вольтов столб - первый источник постоянного тока, который широко использовался исследователями многих стран при изучении электрических явлений.

Электричество у животных? Луиджи Гальвани (1737-1798) был профессором анатомии университета в Болонье. Он открыл, что электрический скат создает разряд аналогичный лейденской банке, и решил выяснить, существует ли электричество в других живых организмах. В 1780 г, препарируя мертвую лягушку, Гальвани обратил внимание, что мышцы ее лапки сокращаются, когда к ним прикасается скальпель.

Сокращались они, если к ним прикоснуться проводами из двух металлов-латуни и железа. Из этих наблюдений Гальвани сделал ошибочные выводы, что лапки лягушки создают электричество и что оно образуется в мышцах и нервах животных.

Электричество и металлы. Алессандро Вольта (1745- 1827) доказал, что лапки лягушки не содержат электричества и что опыт Гальвани основан на контакте лапок с двумя разными металлами. В 1799 г он изготовил первую электрическую батарею, на званную его именем. Состояла Вольтова батарея из серебряных и цинковых дисков с прокладками между ними. В ней возникал постоянный ток. Он же установил различие между проводниками первого класса (металлами) и второго класса (электролитами) и нашел, что, составляя электрическую цепь из проводников обоих классов, можно получить в цепи электрический ток. Единице измерения тока тоже присвоено имя Вольта - волы. Крупнейший в мире «вольтов столб» создан в 1802 г. русским ученым физиком, профессором Медико-хирургической академии в Петербурге, впоследствии членом Академии наук, В. В. Петровым (1761-1834). Этот столб состоял из 4200 медных и цинковых кружочков и позволял получить электродвижущую силу около 1700 вольт. Наличие такого мощного источника тока высокого напряжения позволило Петрову сделать целый ряд открытий и наблюдений.

В своих работахон показал возможность применения электрической дуги для освещения, плавки и сварки металлов, а также восстановления металлов из окислов. Это было крупнейшим открытием, которое после работ ряда ученых и изобретателей широко стало применяться в промышленном производстве и в быту и которое, следовательно, положило начало новому отделу технических знаний - электротехнике. В.Петрову принадлежат открытие зависимости силы тока от площади поперечного сечения проводника, исследование разряда в вакууме и установление зависимости электрических явлений от полярности и формы электродов, расстояния между ними, а также от степени разряжения воздуха.

2.5.5.3.Электричество и магнетизм. Генератор, двигатель, электромагнит.

Магнетизм известен человеку уже не одно тысячелетие, и многие считали, что он как-то связан с электричеством.

Серия важнейших открытий и изобретений началась с 1820 г. открытием датского физика Эрстеда (1777 -1851) влияния тока на магнитную стрелку. Явление, наблюденное им, было весьма просто. Эрстед установил только факт, что электрический ток. получаемый от вольтова столба, проходя по проводнику, оказывает механическое воздействие на находящуюся вблизи магнитную стрелку и стремится поставить ее перпендикулярно к проводнику, но значение этого наблюдения было огромно: им впервые устанавливался факт существования вокруг проводника с током определенного магнитного поля.

Уже в том же 1820 г. Араго (1786-1853) при помощи создаваемого электрическим током магнитного поля намагнитил кусок стали и построил, таким образом, первый электромагнит со стальным сердечником. Позже были построены электромагниты с сердечником из мягкого железа. Большой вклад в изучение электричества внес Фарадей.

Майкл Фарадей родился в окрестностях Лондона (Англия), в семье кузнеца. Начав трудовой путь в книжной лавке он в 1813 г. устроился лаборантом в Королевский институт в Лондоне, а в 1833 г стал профессором этого же института.

1831 год ознаменовался открытием Фарадеем явления электромагнитной индукции. По своему научному и практическому значению это открытие имеет мало себе равных. Открытие Фарадеем закона электромагнитной индукции не явилось делом случая, наоборот, оно было следствием долгих размышлений и многолетних экспериментов. Фарадея очень интересовала взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. В 1822 г. исследуя это явление, Фарадей открыл, что, когда он пропускает ток через проволочную катушку, в соседней катушке также возникает ток. Фарадей предположил, что ток во второй катушке возникает в результате магнитного поля первой, но если ток в катушке создает магнитное поле, то справедливо и обратное явление - магнитное поле может создавать электрический ток. Так рассуждал Фарадей и уже в 1822 г. записал в своем дневнике: «Обратить магнетизм в электричество». Это задание он выполнил только в 1831 г. Фарадей поднес магнит к катушке, и в ней действительно возник электрический ток. Значит, магниты способны создавать ток. Фарадей построил первую динамо-машину (машину, в которой механическая энергия применяется для получения электроэнергии). Эти открытия имели далеко идущие последствия. Работы Фарадея привели к созданию электромотора и к разработке крупных электрогенераторов, которые позволяли создать широкую электросеть.

В 1821 г. немецкий физик Т. Зеебек (1770-1831) открыл явление термоэлектричества, названное им термомагнетизмом, сущность которого заключалась в том, что в цепи, состоящей из разнородных металлов, возникает электродвижущая сила, если температура мест соединений или спаев этих металлов различна, явление, вызвавшее и вызывающее до сих пор ряд попыток осуществить заманчивую идею непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую.

Малая величина получаемых при термоэлектричестве сил тока заставила заняться вопросом о связи между различными комбинациямиэлементов в батарее и получающимися при этом силами токов. После ряда неудачных опытов вопрос был, наконец, решен немецким физиком Г. С. Омом (1787-1854). установившим основной закон электрической цепи, связывающий сопротивление цепи. электродвижущую силу и силу тока. Этот закон был установлен Омом экспериментально и сформулирован в 1826 г. в работе «Определение закона, по которому металлы проводят электричество».

С установлением количественного соотношения между основными параметрами электрической цепи открылись широкие возможности для изучения электрических явлений. Однако закон Ома долгое время не находил себе признания. И только после того, как русские ученые Э. X. Ленц и Б. С. Якоби, немецкие ученые К. Гаусс. Г. Кирхгоф и некоторые другие положили этот закон в основу своих исследований, значение его стало неоспоримо. Последовавшее затем установление законов Кирхгофа для разветвленных цепей еще более облегчило понимание и расчеты явлений в сложных электрических цепях.

В 1820 г. Ампер (1775-1836) открыл явление взаимодействия между токами и в 1823 г. дал полную математическую обработку своих наблюдении, положив, таким образом, начало новому отделу науки об электричестве - электродинамике. В 1824 г. Араго наблюдал успокаивающее действие медной или иной пластинки из проводящего материала на качающуюся магнитную стрелку, которая как будто погружалась в вязкую среду. Араго сделал из этого наблюдения вывод, что если медная пластинка может задерживать колебания магнита, то если эту пластинку заставить вращаться, она увлечет за собой магнитную стрелку. Опыт подтвердил предположение Араго, и, таким образом, было открыто явление, названное «магнетизмом вращения». Причины явления, названного «магнетизмом вращения», были во время его открытия совершенно непонятны и были объяснены только после открытия Фарадеем в 1831 г. явления электромагнитной индукции.

Другие наблюдатели видоизменили опыт и, вращая магнит, заставляли вращаться помещенный над ним медный диск. В этом последнем виде, много лет позже, явление было использовано М. О. Доливо-Добровольским для создания электродвигателей с вращающимся магнитным полем.

На основе полученных результатов началось становление и развитие электрического привода и элементов электроавтоматики.