Наука в каждый рассматриваемый момент времени представляет собой итог – совокупность знаний о природе, обществе, мышлении, накопленных в ходе общественно-исторической жизни людей.
Цель науки – вскрывать объективные законы явлений, давать им объяснение.
Задачи науки – за случайным, хаотичным найти и исследовать объективные законы, скрытые от поверхностного взгляда, и вооружить знанием этих законов людей для их практической деятельности.
В истории человечества наблюдаются четыре стадии познания природы. Первая стадия начинается с древнейших времен (Архимед, Фалес Милетский и др.) и заканчивается примерно XV в. В ней формируется синкретическое, то есть недетализированное представление об окружающем мире; но уже в XIII-XIV веках зарождаются идеи и догадки, ставшие началом становления естественных наук.
Вторая стадия – XV-XVI в.в. – называется аналитической, поскольку в этот период мышление начинает ориентироваться на расчленение понятий и выделение частностей, что привело к возникновению и развитию наук: астрономии, физики, химии, биологии, и других.
Третья стадия – XVII-XX в.в.; ее называют синтетической. В это время происходит постепенное воссоздание целостной картины природы на основе ранее накопленного опыта.
Четвертая стадия – конец XX в., начало XXI в. Здесь начинает формироваться интегрально-дифференциальный подход к познанию природы, то есть рассматривается единая наука о природе. Вселенная, Жизнь, Разум – трактуются как единый, но очень многогранный объект естествознания.
Прогноз дальнейшего – ведущая роль в дальнейшем познании природы принадлежит синтезу знаний, интеграции наук, в центре которых будет находиться человек.
Наука – многоаспектный, многогранный и сложно устроенный феномен. Наука – это и экспериментальные средства, необходимые для изучения явлений – в их число входят приборы и установки, с помощью которых эти явления фиксируются и воспроизводятся; это и методы, посредством которых выделяются и познаются предметы исследования; это и люди, занятые научными исследованиями; это и системы знаний, зафиксированные с помощью текстов и т. п.
Общей основой перечисленных явлений служит технология человеческой деятельности по производству знаний, то есть наука – это определенная человеческая деятельность, которая направлена на получение знаний.
Развитие науки и техники всегда происходит в конкретных исторических и культурных условиях, определяемых прежде всего производительными силами общества, способом производства. Достижения науки и технический прогресс одновременно с этим способствуют эволюции общества, генерируя и определяя уровень производительных сил.
Сначала наука многое взяла у мастеров – инженеров эпохи Возрождения, затем, в XIX-XX в.в. инженерная деятельность стала строиться уже в соответствии с наукой. Специализация и профессионализация науки и техники привели к технизации науки и гуманизации техники.
Вся история человечества показывает, что наука развивается под влиянием практических потребностей и, в первую очередь, потребностей производства. Однако потребности производства не определяют всей сложной динамики формирования знаний, создания новых идей, теорий, выводов. Здесь действуют свои собственные законы. Например, история развития естественных наук дает много примеров научных открытий, которые не порождались непосредственно запросами жизни:
• открытие электричества,
• дифракции,
• магнетизма,
• поляризации,
• периодической системы элементов и многое другое.
Научные фантасты, художники, писатели иногда способны вторгнуться в неведомое будущее и разглядеть контуры грядущих веков. Приведем этому несколько примеров.
Англичанин Роджер Бэкон в XIII в. (примерно 1240-е гг.) занимался языками, математикой, астрономией, физикой, химией и сделал многочисленные важные открытия. Он писал о колесницах, двигающихся с невероятной быстротой без помощи животных, о летающих машинах, о свойствах вогнутых и выпуклых стекол для глаз (очки), создал теорию телескопа и многое другое. Один из величайших умов человечества!
В XVI веке (1560-е гг.) Френсис Бэкон (однофамилец Роджера) – создал одно из блестящих творений человеческого разума – произведение «Новая Атлантида», в котором он изложил проект государственной организации науки, описал основы логики обновления науки, указал на возможность полезного применения наблюдаемых в природе явлений, предсказал создание подводных лодок, самолетов, кино, радио, телевидения, бионики, термоядерного реактора и многое другое.
В романе русского фантаста Н. Шелонского «В мире будущего» (1892 г.) идет речь о превращениях элементов, о синтетических материалах, о передаче мыслей на расстоянии, об антигравитации и многом другом.
А. Толстой в произведении «Гиперболоид инженера Гарина» подробно описал проект лазера.
Рассказ И. Ефремова «Тени минувшего» (1945 г.) натолкнул ученого Ю. Денисюка на открытие объемной голографии.
Из 86 предсказаний писателя-фантаста Г. Уэллса сбылось более 30-ти, а у фантастов Жюля Верна и А. Беляева сбылось 90 % прогнозов.
Далее рассмотрим некоторые законы развития науки. Первый закон. Он называется законом относительной самостоятельности развития науки.
Такая относительная самостоятельность включает в себя внутреннюю логику развития, потребность в систематизации знаний, борьбу мнений, взаимное влияние наук, взаимодействие с разными формами общественного сознания, преемственность идей и т. п. – то есть все те факторы, от которых, если не считать потребности производства (или бытовые), зависит развитие науки.
Второй закон. Следующий закон отражает такие явления, как критика и борьба мнений в науке. То есть развитие науки происходит на основе борьбы новых и старых идей. Без учета эмоциональных дискуссий нового знания со старым, без правильного понимания традиций в науке невозможно понять прогресс науки в целом. История науки есть история смены различных теорий и их борьбы. Неполнота, несовершенство знаний неизбежно приводит к тому, что один и тот же ряд наблюдаемых фактов получает разное объяснение у разных ученых, они видят эти факты как бы с различных ракурсов. Это зависит от различия взглядов, склада мышления, дарования и т. п. Однако с течением времени наука неизбежно приходит к единому взгляду на них.
Третий закон. Этот закон выражает взаимодействие наук и имеет сейчас особенно важное значение для понимания происходящих процессов научно-технического прогресса. Наука представляет собой единое целое. Существующее разделение науки на отдельные области обусловлено различием природы вещей и закономерностей, которым эти вещи подчиняются в процессе движения и развития. Различные области науки развиваются, взаимодействуя друг с другом разными путями:
• через использование знаний, полученных другими науками;
• посредством использования методов изучения других наук;
• через технику и производство;
• через изучение общих свойств различных видов материи.
Четвертый закон характеризует процесс математизации практически всех научных дисциплин. Математика проникает сейчас даже в такие области знания как история, лингвистика, биология и др. С помощью ЭВМ расшифровываются древние рукописи Майя и т. п. Во многих разделах физики, астрономии – математика является незаменимым аппаратом.
Пятый закон относится к дифференциации и интеграции наук, которые неизменно присутствуют в развитии современного естествознания. Процесс дифференциации – перерождение различных ветвей науки в самостоятельные научные дисциплины. Вместе с тем этот процесс сопряжен с процессом интеграции, связывающим разные отрасли естествознания, так как наблюдается бурное развитие пограничных наук: генная инженерия, молекулярная геология, биогеохимия, инженерная психология и др.
Шестой закон – преемственность в науке. Наука представляет собой продукт деятельности многих поколений. Ее объективное содержание не ликвидируется вместе с ликвидацией общественного строя, а развивается и накапливается на протяжении всей истории человечества. Использование и развитие знаний, накопленных предыдущими поколениями, то есть преемственность, представляет собой объективный закон развития науки. Без него просто невозможно никакое развитие!
Седьмой закон, открытый Ф. Энгельсом, – ускоренное развитие науки – действует и сейчас. Достижения XIX века во много раз превосходят достижения XVIII века, а достижения XX века (даже второй его половины) превосходят достижения предыдущих времен.
Восьмой закон свидетельствует о неизбежности научных революций. Анализ истории развития естествознания показывает, что оно развивалось очень неравномерно. Периоды относительной стабильности, постепенного накопления знаний неизбежно с течением времени сменялись более кратковременными периодами революций, когда происходит коренная ломка теоретических представлений, считавшихся ранее незыблемыми.
Девятый закон описывает усиление связи науки с производством, что в итоге привело к пониманию науки как одного из важнейших элементов производительных сил. В результате возникла техногеная цивилизация, на смену которой идет антропогенная цивилизация или постиндустриальное общество.
Наука есть создание жизни. Из окружающей жизни научная мысль человека берет приводимый в форме научной истины материал. Наука есть проявление действия в человеческом обществе совокупной человеческой мысли.
Энергия, энергетика, электроэнергетика
Материальная жизнь человечества связана с двумя основными началами – веществом и энергией. Поэтому все техническое творчеcтво человека на всех этапах развития общества сводилось, по существу, к видоизменениям и превращениям как вещества, так и энергии.
Энергия (гр. energeia – деятельность) – способность тел (существ) совершать работу. Это действие, общая количественная мера различных форм движения материи. Энергия связывает воедино все явления природы.
Энергетика, энергетическая наука – это наука о закономерностях процессов и явлений, прямо или косвенно связанных с получением, преобразованием, передачей, распределением и использованием различных видов энергии.
Электроэнергетика в целом рассматривается как сложное техническое образование, тесно взаимодействующее с топливным хозяйством и основными отраслями добывающей и перерабатывающей промышленности, транспортом, сельским хозяйством и т. п.
Электрическая энергия является вторичной энергией и не заменяет первичную, например, тепловую, гидравлическую, ветровую, термоядерную, солнечную, приливную, ядерную, но в то же время стимулирует их развитие.
Электроэнергетика – это ведущая отрасль энергетики. Применение электричества, использование электрической энергии – одно из величайших открытий и достижений XIX века. Этому предшествовали усилия многих и многих людей. Сейчас электрическая энергия является самым удобным видом энергии.
Энергетической системой электроэнергетики называют совокупность электрических станций, электрических и тепловых сетей, соединённых между собой и связанных общностью режима в непре
рывном процессе производства, преобразования и распределения электрической энергии и теплоты при общем управлении этим режимом.
Энергетика является определяющим фактором и для экономики, и для экологии. От нее зависит экономический потенциал государства и благосостояние людей. Она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду, экосистемы и биосферу в целом.
Наша планета наполнена энергиями, которые взаимодействуют с ней, с человеком на ее поверхности, с Космосом. Все – энергия! Дух – энергия, материя – энергия, мельчайший атом – энергия.
История открытия электричества
Каждое поколение застает технику на том уровне, до которого она была доведена в предыдущий период, дополняет ее своими открытиями, изобретениями, устройствами, а затем передает следующему поколению.
Применение электричества и использование электроэнергии было великим открытием XIX века. Следует заметить, что электрическая энергия является вторичной энергией и не заменяет первичную (тепловую, гидравлическую, водяную и др.), но стимулирует развитие первичной энергии, а для ее передачи и распределения – самой удобной признана именно электрическая энергия. Электричество является очень концентрированной энергией:
1 кВт.ч = 1000 Дж/с ? 3600 с = 3600000 Дж;
1 кВт.ч = 102 кг.м/с ? 3600 с = 367000 кг.м – это эквивалентно
поднятию 367 т груза на высоту 1 метр.
Развитие электроэнергетики носит интернациональный характер. В этом мы убеждаемся на протяжении всей истории ее развития. В создании энергетики и ее внедрении принимали и принимают посильное участие люди самых разных национальностей, разных стран, разных классов.
Например, первые открытия, научные и практические разработки, законы в электроэнергетике являлись вкладом итальянцев, англичан, русских, французов, американцев, венгров, бельгийцев, югославов, датчан и др. В этом можно убедиться, рассматривая историю развития электроэнергетики.
Широкое и разнообразное применение электроэнергии во всех областях народного хозяйства и быта объясняется рядом весьма существенных преимуществ ее по сравнению с другими формами энергии, а именно: 1) возможностью экономичной передачи на значительные расстояния; 2) простотой преобразования в другие формы энергии (тепловую, механическую, световую, химическую и др.); 3) простотой распределения любой мощности (от многих киловатт до микроватт) между любым числом потребителей.
Большое значение имеет возможность использования для производства электроэнергии местных видов топлива (угля, торфа, сланца), энергии рек, водопадов, приливов, солнечной энергии и энергии ветра, геотермальной, атомной и др.
Однако, и раньше, и в настоящее время существуют многочисленные проблемы электроэнергетики:
создание экономичных конструктивных источников электричества – генераторов, электродвигателей, трансформаторов, фабрик электричества (электростанций), электрических линий передач (ЛЭП), подстанций, распределительных устройств;
прокладка проводников, кабелей, их защита;
изоляция токоведущих проводов, частей устройств;
методы расчета электросетей, их защита от коротких замыканий;
другие вопросы, которые решались и решаются учеными, инженерами, практиками, изобретателями.
История открытий в электроэнергетике
Открытие и применение электричества было одним из величайших достижений человечества. Этому предшествовали усилия многих и многих людей разных профессий в разные эпохи. Попробуем перечислить в исторической последовательности некоторые наиболее
известные открытия, изобретения, примеры применения электричества и вспомнить их создателей.
В античной Греции на стыке VII-VI вв. до н.э. купец, философ и ученый Фалес Милетский натирал меховой шкуркой кусок окаменевшей смолы – янтарь, который после этого получал способность
притягивать к себе различные легкие предметы: перо птицы, сухие листочки и т.п.
Спустя много столетий элементарную заряженную частичку (несущую единичный электрический заряд) стали называть электрон (по-гречески – янтарь).
В V в. до н.э. вблизи древнего города Магнезия (территория современной Турции) находили удивительные путеводные продолговатые камни. Они, подвешенные на длинных нитях, всегда указывали одно направление. Это были куски магнитной руды, которая впоследствии получила свое название в честь города, где была найдена.
Первые сведения о применении электричества для металлизации сосудов относятся к III в. до н.э. (применение в ремесле). Использовались электроды из меди и железа, а электролитом являлось вино.
Электродвижущая сила такого химического источника электричества достигала ~ 0,8 В.
Потом эти открытия были частично или полностью утеряны (или забыты), человечество изобретало и открывало их вновь.
Основоположником науки о магнетизме является англичанин У. Гильберт (540-1603), (рис. 17). В 1600 г. вышел труд У. Гильберта “О магните, магнитных телах и большом магните – Земле”,в котором он описывает разные полюса у магнита (северный и южный), поведение одинаковых и разноименных полюсов, способы намагничивания железа.Он первый указал на наличие магнитного поля Земли, посвятив этому открытию 18 лет жизни и поставив около 600 опытов, создал первоем электроизмерительное устройство – электроскоп и назвал электрическими тела, способные электризоваться.
Первым источником электроэнергии уже нашей эры стал электростатический генератор (трибоэлектрический), изобретенный в 1663 г. мэром Магдебурга Отто фон Герике (рис. 18).
Он изготовил шар из серы, который вращали вручную (трением поверхности руками). В результате на шаре накапливался электрический заряд. Мощность шара была менее 1 Вт. Казалось бы пустяк, однако с его помощью были открыты многие важные явления и свойства электричества. В 1675 г. И. Ньютон описал электризацию тел.
Может возникнуть впечатление, что XVII век немногое внес в развитие науки об электричестве, но именно тогда был заложен ее фундамент и дан мощный импульс к разнообразным исследованиям электрических явлений следующих столетий.
Ф. Хауксби в 1705 г. создал электрический генератор, используя вместо серного шара стеклянный. В 1743 г. в такую машину был введен скользящий контакт, который снимал заряд, и машина смогла при вращении непрерывно отдавать электрическую энергию.
С. Грей в 1729 г. заметил, что одни вещества проводят электричество, а другие не проводят.
Ш. Дюфе в начале XVIII в. открыл электрическое взаимодействие заряженных тел – притяжение разноименных и отталкивание одноименных тел.
В середине XVIII в. в Лейдене была создана «лейденская банка» – прообраз электрического конденсатора. Открытие этого конденсатора принадлежит преподавателю физики голландцу Мушенбруку и немецкому священнику фон Клейсту. Заряжалась “лейденская банка” с помощью серного шара фон Герике.
“Лейденская банка” представляла собой стеклянную банку с остатками ртути на внутренней поверхности. Через пробку в нее вставлялся гвоздь, а снаружи банка обертывалась металлической фольгой. Гвоздь и фольга служили электродами, а стекло (диэлектрик) накапливало заряд от серного шара Герике.
Опыт с заряженной “лейденской банкой” демонстрировался в присутствии большого скопления народа на площади во Франции.180 гвардейцев короля становились в круг, взявшись за руки. Один из гвардейцев притрагивался к фольге “лейденской банки”, а последний в цепи притрагивался к металлическому стержню. По всей цепи гвардейцев мгновенно протекал ток и все люди получали электрический удар, который тут же вызывал реакцию людей – вскрики, прыжки, взмахи рук и т.п. Ученые регистрировали воздействие электричества на человека, проводимость человеческого тела, а также электрический удар.
Пытаясь зарядить “лейденскую банку” от небесного электричества (молнии), в 1753 году погиб товарищ М.В.Ломоносова Г.В.Рихман.
Михаил Васильевич Ломоносов, родоначальник отечественной науки, в 1753 г. поставил задачу перед учеными: “… сыскать подлинную электрической силы причину и составить ее точную теорию”.
М.В. Ломоносов много занимался “ небесным электричеством”, описывал электрические явления и способ получения электричества искусственным путем – труд “Об електрической силе…”.
Со своим другом Г. В. Рихманом они проделали множество наблюдений и опытов с небесным электричеством – молнией, северным сиянием. Ломоносов высказал очень важную мысль о возможности передачи электричества на большие расстояния и о практическом использовании электричества для металлизации поверхности металлов (1747 г.); только через 100 лет Б.С. Якоби открывает и применяет гальванопластику.
Георг Вильгельм Рихман (1711 – 1753) создал в Петербурге лабораторию по исследованию электрических явлений, изготовил целый ряд электроизмерительных приборов.
Параллельно с М.В. Ломоносовым проводил опыты с «небесным электричеством» в Америке Б. Франклин ученый, поэт, дипломат, который внес большой вклад в изучение электрических явлений и в 1752 г. изобрел громоотвод (вернее бы его назвать молниеотвод).
Молниеотвод от шаровых молний был изобретен русским инженером Б. Игнатовым в XX в.
В 1759 г. академик Российской Академии Ф. Эпинус (1724 –1802) открыл и объяснил электрическую поляризацию, существование силовых магнитных линий, взаимодействие электрических и магнитных масс.
Из перечисленного выше невольно напрашивается жизненно важный вывод (над которым мы редко задумываемся): первые и очень важные открытия в любой области знаний нередко совершают
специалисты других разделов науки или деятельности.
Подтвердим это высказывание еще некоторыми примерами.
Итальянец Луиджи Гальвани (1737-1798) (рис. 20), заведующий кафедрой анатомии, в 1791 г. опубликовал труд ”Трактат о силах электричества при мышечном движении”.
Он открыл существование электрических токов внутри живых существ, препарируя железным скальпелем лежащую на медном блюде лягушку ( разные металлы!).
Это открытие через 121 год дало толчок исследованиям человеческого организма с помощью биоэлектрических токов. Обнаруживались больные органы при исследовании их электрических сигналов. Работа любого органа (сердца, мозга) сопровождается биологическими электрическими
сигналами, имеющими для каждого органа свою форму. Если орган заболевает, сигналы изменяют свою форму, и при сравнении «здоровых» и «больных» сигналов обнаруживаются причины заболевания.Опыты Гальвани натолкнули на изобретение нового источника электричества профессора Тессинского университета Алессандро Вольта (1745-1827) (рис. 21).
В 1800 г. А. Вольта объявил Лондонскому Королевскому обществу об изобретении вольтова столба. Свой источник электричества он назвал в честь Гальвани гальваническим элементом. Это был источник электричества более мощный, чем генератор Герике. Этот источник состоял из большого количества малых элементов, каждый из которых содержал две пластинки из пары разных металлов: медь – свинец или серебро – цинк, между котоыми находилась пористая, пропитанная кислотой (или щелочью), прокладка.
Набирая следовательно большое количество таких элементов, Вольта получал электрохимический источник электричества напряжением до 2 кВ. Этого было уже достаточно для исследования электричества, получения электрической дуги, электродуговой свечи, сваривания металлов и т.п. А. Вольта в это время было 56 лет. Наполеон за это открытие вручил ему в 1801 г. Большую Золотую медаль. Батарейки, которыми мы сейчас пользуемся в часах, приемниках и др. – это те же, но усовершенствованные, вольтовы столбики – гальванические элементы.
В 1821 г. был изобретен еще один источник электричества – термоэлемент. Профессор Т.И. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что, если один спай двух разнородных металлов A и B (например, медь-константан) нагреть (Tг), а второй спай охладить (Tх), или просто не нагревать, то возникает термоэлектродвижущая сила.
k n
U A B = ln A (T г ?T х ) ,
q nB
где k – постоянная Больцмана, q – заряд электрона, n – плотность электронов.
Ж. Пельтье (1785-1845) открыл противоположное явление в 1834 году. Если к одному из спаев двух разнородных проводников приложить постоянное электрическое напряжение, то один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться.
QП = ПI ? ,
где QП – теплота Пельтье, П – коэффициент пары металлов, I –ток, ? – время.
С изобретением каждого нового источника электричества ученыес интересом обнаруживали, что таинственное электричество возникает под действием совершенно разнородных сил, например, тепла, химических реакций, механического трения, света и т.п. Лишь проникновение в структуру вещества, в атомную и молекулярную природу материи позволило позднее понять, что объединяет эти столь различные внешние явления.
Начальный период использования электричества.
Гальванопластика, освещение и электротермия
Гальванопластика. Одним из первых практических применений электричества была металлизация – осаждение тонкого слоя металла на поверхность изделия с помощью электрического тока.
Эту идею высказал в середине XVIII века М.В. Ломоносов, а применил практически через 100 лет, в 1847 г., Б.С. Якоби (1801-1874). С тех пор гальванопластика стала широко внедряться в промышленность. Б.С.Якоби, талантливый инженер и ученый, физик, электротехник, изобрел и создал электрический двигатель с вращательным движением, создал гальванотехнику, несколько типов электромагнитных телеграфов, применил электричество в минном деле и др.
Электрическое освещение – первое массовое энергетическое применение электрической энергии – сыграло исключительно важную роль в становлении электроэнергетики и превращении электротехники в самостоятельную отрасль техники. Электрическое освещение явилось одной из первых областей применения электричества после гальванопластики.
У истоков освещения с помощью электричества стоял Василий Владимирович Петров (1761-1834), профессор медицинско-хирургической Академии в Петербурге. Он был преемником и продолжателем трудов М.В. Ломоносова.
Исследуя световые явления, вызываемые электрическим током, В.В.Петров сделал свое знаменитое открытие – электрическую дугу, сопровождающуюся появлением яркого свечения и высокой температуры. Это произошло в 1802 г. и имело огромное историческое значение. Наблюдения и анализ Петровым свойств электрической дуги легли в основу создания электродуговых ламп, ламп накаливания, электросварки металлов и многого другого.
В 1803 г. В.В. Петров первым в мире показал возможность применения электротока (электродуги) в металлургии. Петров исследовал электропроводимость различных жидких и твердых тел, высказал мысль о возможности разложения воды электрическим током, открыл реакцию окисления и восстановления металлов, открыл принцип аккумулирования электричества.
В 1875 г. Павел Николаевич Яблочков (1847-1894) (рис. 31), создает электрическую свечу, состоящую из двух угольных стержней, расположенных вертикально и параллельно друг другу, между которыми проложена изоляция из каолина (глины). Чтобы горение (свечение) было более продолжительным, на одном подсвечнике помещалось четыре свечи, которые горели последовательно (во времени).
В 1876 г. свеча П.Н. Яблочкова получила признание за границей; он становится миллионером. Улицы Парижа, театры Лондона стали освещаться «русским светом». Только после этого свечи Яблочкова стали внедряться в России.
Александр Николаевич Лодыгин (1847-1923) (рис. 32), в 1872 г. предложил вместо угольных электродов в свече Яблочкова использовать нить накаливания (сначала уголь ную, а затем из тугоплавкого металла), которая при протекании электрического тока ярко светилась. Это было безопасное для людей, яркое и дешевое освещение посредством электричества.
А.Н. Лодыгин писал, что электрический свет должен быть единственным искусственным светом как по своей силе и ровности, так и по безопасности и дешевизне.
Список изобретений А.Н. Лодыгина очень велик. В него входят электрические индукционные печи и печи сопротивления, сварочные аппараты, аккумуляторы, электрические приборы, извлечение из руд талюминия и других металлов, электровертолет, скафандр и многое, многое другое.
Дмитрий Александрович Лачинов (1842-1902) изобрел много различных приборов: регулятор напряжения, оптический динамо-метр, способ центробежной отливки рефлекторов. В 1880 г. Д.А. Лачинов написал книгу “Электромеханическая работа”, которая содержала исследование работы электрических машин; в ней было приведено математическое доказательство, что на большие расстояния может передаваться любое количество электроэнергии путем увеличения электрического напряжения.
Вопрос передачи электрической энергии по проводам на большие расстояния поставил впервые в 1760 году М.В. Ломоносов; Д.А. Лачинов и М. Депре провели теоретические разработки электропередачи; Ф.А. Пироцкий и Фонтен впервые осуществили передачу с помощью изолированных проводов и используя обычные рельсовые пути.
Томас Эдисон (1847-1931) (рис. 33), талантливый американский инженер-электротехник, изобретатель, который свои идеи и идеи других быстро претворял в жизнь. Им была усовершенствована лампа накаливания Лодыгина (откачал из баллона лампочки воздух, придумал цоколь с винтовой нарезкой и т. п.); заводы Эдисона стали выпускать лампы накаливания миллионами штук во всем мире.
Александр Ильич Шпаковский (1823-1881) создает в 70-х годах XIX в. дуговую лампу с электромагнитным и механическим регулированием, а в 1864 году создает первый автоматический регулятор давления пара прямого действия.
Владимир Николаевич Чиколев (1845-1898) (рис. 34), создает регулятор для стабилизации горения электрической дуги. Он же применил систему дробления света дуги, раздробив свет дуговой лампы в 3000 свечей на 60 источников света с помощью системы линз, зеркал и трубок с отражающими внутренними стенками – световодами. С помощью такого устройства был освещен Охтинский пороховой завод. В.Н.Чиколев усовершенствовал прожекторы, применив кольцеобразные стекла и зеркала. Он является основоположиком отечественной светотехники, применения фотографии для определения скорости полета снарядов и многого другого. Принимал активное участие в создании первых электростанций.
Николай Николаевич Бенардос (1842-1905) применил электрическую дугу для сварки металлических листов, резки металлов, отверстий. Разработал технологии сварки в среде защитных газов и точечной сварки.
Николай Гаврилович Славянов (1854-1897) (рис. 35), создал конструкции электрических машин и аппаратов, динамомашин и регуляторов электрической дуги. Использовал электрод и как средство для создания электрической дуги, и как носитель металла для создания шва при сваривании листов или деталей. Он же применил электроподогрев металлических отливок для равномерного остывания по всему объему.
Н.Н.Бенардос и Н.Г.Славянов использовали открытие В.В.Петрова по плавлению и свариванию металлов в электрической дуге. Один из первых русских профессоров электротехники Михаил Андреевич Шателен писал: «Первая половина XIX в. была особенно богата результатами изучения электрического тока: была открыта электрическая дуга (В.В. Петров), были открыты термоэлектрические явления (Т. Зеебек, Ж. Пельтье); найден закон тепловых действий тока (закон Джоуля-Ленца), были определены законы химического действия тока (законы М. Фарадея), были установлены законы Г.Ома и Г. Кирхгофа, внесшие большую ясность в понимание явлений тока; были обнаружены свойства тока намагничивать железо и действовать на магниты; были найдены законы взаимодействия токов между собой и тока с магнитами; были открыты законы электромагнитной индукции».
С открытием вольтова столба ток стали применять для различных практических целей: для освещения, для нагрева, для разложения сложных химических веществ, для металлических покрытий и получения металлических оттисков (гальванопластика академика Б.С. Якоби), для целей связи (П.Л. Шиллинг, Б.С. Якоби), для двигателей (Э.Х. Ленц, Б.С. Якоби) и др.
Со временем вольтов появились другие источники электричества: гальванические, термоэлементы, динамо-машины, электрогенераторы.
Кроме постоянного тока появился однофазный переменный ток, получавшийся от электромагнитных генераторов, а позже – и трех-фазный ток (М.О. Доливо-Добровольский).
По мере развития электроэнергетики, внедрения ее в промышленность, транспорт, быт возникла потребность накопления электроэнергии. В.В. Петров в начале XIX в. создает предпосылки для создания аккумуляторов, проводит эксперименты.
Г. Планте создает свинцовый аккумулятор в 1859 г. К. Фор конструирует свинцово-кислотный аккумулятор в 1880 г. А.Н. Лодыгин разрабатывает теорию аккумулирования электричества для проектируемого электровертолета.
В 1886 г. М. Депре создает буферную аккумуляторную батарею.
В 1984 г. были созданы серно-натриевые аккумуляторы, намного превышающие по технико-экономическим показателям свинцовокислотные.
Приведем некоторые числовые данные для материалов, способных аккумулировать электрическую энергию, из расчета на 1 кг веса:
Pb 16 Вт·ч на 1 кг веса
Воздушно – Zn160 Вт·ч –––– « ––––
Li – Ni 200 Вт·ч –––– « ––––
S – Na300 Вт·ч –––– « ––––
Li – Cl 500 Вт·ч –––– « ––––
Бензиновый
двигатель 2400 Вт·ч –––– « –––– .
Аккумулирование электрической энергии необходимо для работы автономного транспорта – электромобилей, электровертолетов, подводных лодок; для накопления энергии в периоды её низкого потребления и выдачи её во время пиковых нагрузок и в других случаях.
Чтобы научить силу электрического тока стать творить чудеса, нужны были генераторы и электродвигатели. Над этим думали многие изобретатели, в том числе и русские.
Электродвигатели, электрогенераторы, трансформаторы
Открытия и исследования Д. Араго, Г. Эрстеда, А. Ампера, Г. Ома, М. Фарадея и других изобретателей и ученых послужили толчком для изобретательской фантазии инженеров, которые стали называться электриками. Важнейшим этапом в развитии электроэнергетики явилось изобретение и применение электрических машин.
В технике основными устройствами, использующими явление электромагнитной индукции, являются генераторы электрического тока, электродвигатели и трансформаторы. Рассмотрим их основное современное устройство и назначение, чтобы затем проследить исторические вехи разработки этих устройств и указать их авторов.
Генератор. Состоит из статора и ротора. Массивный неподвижный статор представляет собой полый стальной цилиндр, на внутренние стенки которого уложено большое число витков метал-лического провода, покрытого изоляцией и ведущего электричество во внешнюю электрическую цепь к потребителю.
Ротор представляет собой цилиндр с пазами для проводов, являющийся большим подвижным электромагнитом, установленным внутри статора.
Под действием паровой турбины, гидротурбины, паровой машины или другого двигателя ротор начинает вращаться, а в проводах статора, благодаря электромагнитной индукции, возникает электрический ток.
Электродвигатель. В электродвигателях происходит другое явление: электрический ток, протекая через провода статора, заставляет ротор вращаться. С помощью механических приспособлений движение ротора можно передать ленте трансмиссии, станку, эскалатору
метро и другим механизмам.
Трансформатор. Состоит из магнитного сердечника и двух или более катушек, которые имеют разное число витков. Если подвести переменный электрический ток к катушке с большим числом витков – ток большего напряжения, то со стороны катушки с меньшим числом витков можно снять больший ток, но меньшего напряжения.
Создание электрических генераторов, электродвигателей, трансформаторов требовало изучения свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории.
Первыми в этом направлении были работы профессора Московского Университета Александра Григорьевича Столетова (1839-1896). В 80-х гг. им была обнаружена петля гистерезиса и доменная структура у ферромагнитных материалов.
Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей. В 1895 г. Пьер Кюри обнаружил существование у ферромагнетиков критической температуры, выше которой происходит исчезновение доменной структуры и потеря ферромагнетизма – точки Кюри.
Применение электричества для связи, освещения, двигательной силы потребовало создания электроизмерительных приборов, Системы единиц измерения.
К 80-м гг. появились гальванометры, амперметры, вольтметры, магазины сопротивления, а начало созданию электроизмерительных приборов положили М.В. Ломоносов, Г.В. Рихман, Б. Франклин еще в XVIII в.
В 1881 г. в Париже собрался первый Международный конгресс электриков. Было принято постановление о разработке единой системы единиц. В группу разработчиков входили: Г. Гельмгольц, Г. Кирхгоф, У. Томсон, Р. Клаузиус, А.Г. Столетов и др.
Электродвигатели
История создания двигателей уходит в глубокую древность. Сложными путями шел человек к открытию и познанию законов физики, созданию различных механизмов, машин.
Впервые двигатель назвал машиной римский зодчий Марк Полион (1 в. до н. э.).
Важнейшим этапом в развитии электроэнергетики явилось изобретение и применение электродвигателей. Принцип действия электродвигателей основан на физическом явлении: виток проводника, по которому протекает электрический ток, будучи помещенным между магнитами, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатель, как правило, компактнее других двигателей, всегда готов к работе, может управляться на расстоянии.
История электродвигателя – сложная и длинная цепь открытий, находок, изобретений. Проследим этапы развития электродвигателей.
I этап. Начальный период развития электродвигателя (1821-1834гг.). Он тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.
В 1821 г. М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита, или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея показал принципиальную возможность построения электрического двигателя.
Многие исследователи предлагали различные конструкции электродвигателей.
Первые электродвигатели напоминали по устройству паровые машины: двигатель Дж. Генри (1832 г.) и двигатель У. Пейджема (1864 г.) имели коромысла, кривошип, шатун, а также золотники (переключатели тока в солено-идах, заменявших собой цилиндр).
П. Барлоу предложил «колесо Барлоу». Оно состояло из постоянного магнита и зубчатых колес, скользящий контакт осуществлялся с помощью ртути, а питалось колесо от гальванического элемента.
Дж. Генри предложил в 1832 г. модель двигателя с возвратнопоступательным движением: подвижный электромагнит поочередно притягивался к постоянным магнитам и отталкивался от них, замыкая и размыкая батареи гальванических элементов. Он совершал 75 качаний в минуту.
Было еще много попыток создания двигателей с качательным движением якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки построить двигатель с вращательным движением якоря.
II этап. Второй этап развития электродвигателей (1834-1860 гг.) характеризуется конструкциями с вращательным движением явнополюсного якоря. Однако вращательный момент на валу у таких двигателей обычно был резко пульсирующим.
В 1834 г. Б.С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. В 1838 г. этот двигатель (0,5 кВт) был испытан на Неве для приведения в движение лодки с пассажирами (рис. 37), т. е. получил первое практическое применение.
Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б.С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:
- применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т.е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;
- электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты и по возможности большую мощность и больший коэффициент полезного действия.
III этап. Третий этап в развитии электродвигателей (1860-1887 гг.) связан сразработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практическипостоянным вращающим моментом.
На этом этапе нужно отметить электродвигатель итальянца А. Пачинотти (1860 г.). Его двигатель состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов.
Подвод тока осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов включалась последовательно с обмоткой якоря (т.е. электромашина имела последовательное возбуждение). Габариты двигателя были невелики, он имел практически постоянный вращающий момент. В двигателе Пачинотти явнополюсный якорь был заменен неявнополюсным.
Барабанный якорь, в котором рабочим является проводник, составляющий виток, был изобретен лишь в 1872 г. В. Сименсом. Еще через 10 лет в железе якоря появились пазы для обмотки (1882 г.). Барабанный якорь машины постоянного тока стал таким, каким мы его можем видеть в настоящее время.
Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешевого источника электрической энергии – электромагнитного генератора постоянного тока.
В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции. В дальнейшем он все более и более совершенствовался.
По роду тока электродвигатели стали делиться на машины переменного и постоянного тока; по принципу действия машины переменного тока делятся на синхронные и асинхронные.
Асинхронные двигатели отличаются простотой конструкции, малой стоимостью, надежностью в работе. Они являются самым распространенным видом двигателей.
Электрогенераторы
Прототип генератора электрического тока, основанный на принципе электромагнитной индукции, был сконструирован Фарадеем в 1831 г. Он состоял из медного диска, вращающегося вручную между полюсами постоянного магнита. При этом в диске индуцировалась электродвижущая сила (ЭДС); полюсами служили ось диска и неподвижная щетка, имеющая скользящий контакт с краем диска.
После этого были предложены различные конструкции электромагнитных генераторов. Магнито-электрические машины были изготовлены многими изобретателями: У. Риччи, И. Пикси, Ю. Кларком и др., но все они были трудно применимы для практического использования.
По заказу А.М. Ампера в 1832 г. И. Пикси (1808-1835) изготовил первый электрический генератор с коммутатором для получения постоянного тока. Он приводился в движение вручную.
В 1842 г. Д.С. Вулрич изготовил мощный генератор постоянного тока, соединив его ременной передачей с паровой машиной. Такой генератор использовали для питания гальванических ванн.
1842 год считается годом рождения электроснабжения предприятий.
В 1856-1866 годах появилась идея самовозбуждения электрогенератора (без гальванического элемента). Многие исследователи, инженеры независимо друг от друга, раньше или позже пришли к этому: венгр А. Йедлик (1800-1895); немец Э.В. Сименс (1816-1892); англичане Г. Уайлд (1833-1919), С.А. Варли; американец М.Г. Фармер (1820-1893); датчанин С. Хьерт (1802-1870) и др.
Промышленное освоение электрогенераторов началось после 1870 г., когда француз З. Грамм создал генератор с кольцевым ротором, тороидальной обмоткой и коллектором почти современной конструкции. А. Пачинотти (1841-1912) на 10 лет раньше построил подобный электродвигатель.
В 1880 г. американец Т. Эдисон предложил делать магнитопровод якоря электрогенератора наборным из изолированных стальных листов. Это уменьшило потери и реакцию якоря.
В 1884 г. была предложена компенсационная обмотка, а в 1885 г. дополнительные полюса для уменьшения реакции якоря и улучшения коммутации.
Создание электрогенераторов и электродвигателей на постоянном токе решало многие вопросы существующей в то время энергетики, но передача энергии на дальние расстояния оказалась затруднительной.
В 1876 г. П.Н.Яблочков создал дуговые лампы, которые гораздо эффективнее работали на переменном токе. Для питания нескольких дуговых ламп от одного источника Яблочков использовал индукционные катушки с ответвлениями – прообраз трансформатора или простейший трансформатор с разомкнутым сердечником.
Введение переменного тока должно было позволить передавать электроэнергию с помощью повышающих трансформаторов напряжения на большие расстояния. Но теперь встал вопрос о создании генераторов переменного тока.
Впервые идею вращающегося электромагнитного поля высказал Д. Араго в 1821 г. В 1885 г. Г. Феррарис. (1847-1897) предложил использовать двухфазный ток (систему двух переменных токов, сдвинутых по фазе на 90°), который дает возможность получить «вращающееся магнитное поле», и построил двигатель переменного тока.
Н. Тесла (1856 – 1943) (рис. 40), удалось построить систему из двухфазного генератора, трансформатора и двигателя.
Она была использована на Ниагарской гидростанции в США, система требовала четыре провода для передачи электроэнергии.
В 1888 году русский изобретатель М.О. Доливо-Добровольский (1862-1919), создал трехфазную систему токов, которая затем получила признание и распространилась во всем мире как наиболее удобная и экономичная.
Вращающееся магнитное поле было получено путем сдвига фаз между токами одинаковой амплитуды на 120°. М.О. Доливо-Добровольский разработал ротор с обмоткой в виде беличьей клетки и создал короткозамкнутый асинхронный двигатель. Трехфазная система, состоящая изтрехфазного генератора, трехфазного двигателя (рис. 42), и трехфазного трансформатора, требовала для передачи и распределения электроэнергии всего три провода, являясь в то же время симметричной, уравновешенной и экономичной. Затраты металла были на 25 % меньше, чем в двухпроводной линии однофазной системы. Трехфазный синхронный генератор был построен Доливо-Добровольским в 1890 г. Впервые передача трехфазного тока на расстояние 170 км была продемонстрирована на Международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. во время Международного конгресса электротехников.
На базе электрических генераторов и электродвигателей стал конструироваться индивидуальный привод станков, механизмов и устройств.
Первое защитное заземление электрических машин предложили русский инженер Р.Э. Классон и француз М. Депре. Генераторы электрического тока предъявили к первичному двигателю следующие требования: большое число оборотов, высокая равномерность вращения и непрерывно возрастающая мощность. Паровая машина уже не отвечала этим требованиям, Она имела 400-600 об/мин. Паровую машину вы теснила паровая турбина, которая имела большую скорость и более высокий КПД. Сейчас мощность паровых турбин достигает 1200 МВт. Турбина вместе с электрическим генератором называется турбогенератором
Трансформаторы
В 1848 г. французский механик Г. Румкорф изобрел индукционную катушку. Она явилась прообразом трансформатора.
П.Н. Яблочков, русский изобретатель, разработал систему «дробления» электрической энергии, впервые использовав индукционную катушку в качестве трансформатора с разомкнутым сердечником для питания нескольких дуговых ламп. По существу он в 1889 г. Создал первый силовой трансформатор.
В 1882 г. русский электротехник И.Ф. Усагин, а в 1884 г. французский инженер Болард создали трансформатор напряжения (для повышения или понижения напряжения). Разработка силовых транс
форматоров дала возможность передавать электричество на дальние расстояния, так как с возрастанием величины передаваемого напряжения уменьшаются потери электрической энергии, и появляется возможность уменьшить сечение проводов (рис. 43).
В 1885 году венгерские инженеры М. Дери и О. Блати вместе с К. Зиперовским разработали трансформаторы с замкнутым магнитопроводом. Появилась система распределения электроэнергии, основанная на параллельном подключении трансформаторов к питающей сети высокого напряжения.
В настоящее время на электрических станциях и подстанциях применяют понижающие и повышающие, двух- и трехобмоточные, трехфазные и однофазные силовые трансформаторы.
Трансформаторы тока применяют в установках переменного тока всех напряжений для последовательных катушек измерительных приборов и реле защиты.
Первичную обмотку трансформатора тока включают в цепь по следовательно, а ко вторичной обмотке также последовательно присоединяют катушки приборов и реле. Между первичной и вторичной обмотками трансформатора тока нет электрической связи, поэтому они надежно изолируют приборы и реле от напряжения установки.
Трансформаторы напряжения применяют в установках переменного тока для питания параллельных катушек измерительных приборов и реле защиты. Первичную обмотку трансформатора напряжения подключают параллельно к сети, а ко вторичной обмотке присоединяют параллельно катушки приборов и реле.
Трансформатор является одним из ключевых компонентов современной энергетической системы. Он преобразует напряжения в низкие или высокие с малыми потерями энергии. Является важным элементом многих электроприборов, механизмов и устройств: зарядных устройств, радиоприемников, телевизоров, подстанций, электростанций и т.п.
Размеры трансформаторов могут варьировать от горошины до громадин весом в 500 тонн. Уменьшение габаритов трансформаторов достигается за счет более эффективного отвода тепла с помощью вентиляторов, внешних радиаторов, специальных насосов. Применяются системы испарительного охлаждения, однако они пока слишком дороги. Процесс совершенствования системы изоляции и охлаждения трансформаторов продолжается: улучшаются конструкции трансформаторов, способы охлаждения, ведётся поиск возможности использования сверхпроводимости обмоток.
В настоящее время функции трансформаторов могут брать на себя полупроводниковые приборы. Однако трансформаторы еще будут выполнять свою службу довольно длительное время, эффективно и незаметно поддерживая функционирование электроэнергетических систем, от которых зависит так много в нашей современной жизни.