История развития энергетики

ВВЕДЕНИЕ В ИСТОРИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Электрические и магнитные явления были известны человеку издавна. Археологические исследования показали, что древние египтяне делали примитивные источники тока, используемые для гальваники. Электростатические взаимодействия были известны древним шумерам. Появление магнетизма в европейской истории относится к древней Греции. Происхождение слова «магнит» объясняется двояко. По утверждению Платона оно происходит от названия древнегреческой провинции Магнезии, где встречался магнитный железняк. А известный древнеримский писатель и ученый Плиний в своей 37-томной «Естественной истории» ссылается на легенду о пастухе Магнесе, пасшем стада у подножия горы на острове Крите и обнаружившем черный камни, которые притягивали железные гвозди его сандалий. В Китае во втором тысячелетии до нашей эры уже применялись первые компасы. Слово «электрон» на древнегреческом языке обозначает янтарь. Собственно от него и происходит название - «электричество».

Первые экспериментальные исследования в этой области начали производится в XVI – XVII веках в Европе. А первое научное сочинение о магнетизме было написано английским врачом Вильямом Гильбертом. Изданный в 1600 году труд назывался «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Исследования европейских ученых долгое время касались только явлений электростатики, то есть электризации диэлектрика посредством трения. Любой может провести этот опыт – пластиковая расческа после причесывания начинает притягивать бумажку. Подобными исследованиями занимались О. Герике, Г. Лейбниц, С. Грей, П. Мюсхенбрук, А. Болотов, Б. Вильсоном и другими. Результатом этих исследований было создание электростатической машины (см. рисунок), электроскопа и лейденской банки. Важнейшее значение имели опыты французского военного инженера Ш. Кулона. Им был сконструирован прибор, названный «Крутильными весами» (см. рисунок). В результате многочисленных опытов, им был открыт закон, носящий его имя. Кулон сформулировал, что сила взаимодействия наэлектризованных тел пропорциональна «количеству электричества» их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Рисунок В1 Электростатическая машина со стеклянным диском

F – стеклянный диск; M – ось; С – подушки; B – кондуктор; D – металлические трубки, поддерживающие гребенки для съёма заряда; S – изолирующие подставки

Рисунок В2 Крутильные весы Ш. Кулона

1 – микрометрический круг с указателем и зажимом для подвешивания металлической нити 2, на которой висит стрелка 3 с бузиновым шариком; 4 – неподвижный бузиновый шарик, заряжаемый электрическим зарядом

Ученые в XVII – XVIII веков считали, что существует два вида электричества - электростатика и электромагнетизм. Изучение электромагнетизма начинается с появления первых гальванических элементов. Как видно из названия, опыты эти начались с исследований итальянского анатома Л. Гальвани, описанных в труде «Трактат о силах электричества при мышечном движении» (1791 год). Опыт Гальвани с препарированной лягушкой дергающей лапкой при протекании электрического разряда широко известен.

Первый источник электрического тока был создан профессором физики А. Вольта. Источник состоял из медных и цинковых кружков, соединенных попарно через суконные прокладки, смоченные кислотой. Этот прибор известен под названием вольтова столба (см. рисунок). Создание источника постоянного тока и опыты с электричеством привели к открытию электролиза (А. Карлейль, В. Никольсон и В. Крейшенк), электрической дуги (В. Петров). Электромагнитные свойства тока изучали Г. Эрстед, И. Швейгер, Л. Нобили, Д. Араго, П. Лаплас. Однако, основу электродинамики заложил французский ученый А. Ампер. Он первый ввёл термин «электрический ток» и понятие его направления, исследовал взаимодействие проводников с токами, разработав «станок Ампера» (см), в котором один проводник мог менять свое положение относительно другого. Ампер установил математическое выражение количественных соотношений. Свои обобщения он изложил в сочинении «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта» (1827).

Рисунок В3 Вольтов столб

Опыты по взаимодействию магнитов и электрического тока М. Фарадея привели к открытию явления их взаимного вращения. Он выяснил, что электрический ток, проходящий по проволоке и проявляющий магнитное взаимодействие с током, может заставить эту проволоку совершать вращение вокруг магнита или может заставить магнит вращаться вокруг проволоки. Установка Фарадея приведена (см. рисунок). Именно у Фарадея зародилось представление о «взаимопревращении» электромагнитных сил. Он ставит перед собой задачу превратить магнетизм в электричество, то есть создать прототип электрической машины. Сформулированный им закон электромагнитной индукции носит его имя.

Рисунок В4 Установка Фарадея

1,2 – чашки с ртутью; 3 – подвижный магнит; 4 – неподвижный магнит; 5,6 – проводники к батарее; 7 – медный стержень; 8 – неподвижный стержень; 9 - подвижный стержень

Законы проводимости были исследованы и сформулированы школьным учителем города Кёльна Г. Омом. Надо отметить, что проведение этих опытов были связаны с большими трудностями: гальванические элементы быстро разряжались при эксплуатации, механизм их работы был неизвестен, общепринятых способов количественно определять проводимость не существовало, величины тока не были определены. Однако, в 1827 году выходит его труд «Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Г.С. Омом». Дальнейшее развитие теории Ома были проведены немецким физиком Г. Кирхгофом. В возрасте 21 года в 1845 году он написал работу «О протекании тока через плоскую пластину, например, круглой формы». В примечании к этой работе были сформулированы два закона, носящие его имя, которые являются фундаментальными для теоретической электротехники.

Обобщение законов Фарадея и создание теории электромагнитных поля и взаимодействий были сделаны Д. Максвеллом. В своем труде «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873 год) Максвелл изложил основы разработанной им теории поля. Результатом этих работ являются знаменитые уравнения Максвелла, описывающие закон электромагнитной индукции в произвольном контуре, в произвольной среде. Максвелл ввёл понятие об электрическом смещении и токах смещения, установил связь между магнитным и электрическим полями, заложил основы электромагнитной теории света. До сих пор основными уравнениями для расчёта электромагнитных взаимодействий служат уравнения Максвелла.

1 Первые электрические машины

Итак, Фарадей доказал принципиальную возможность преобразования электрической энергии в механическую и обратно. Более того, им были созданы первые электродвигатель и генератор. Конечно, это были маломощные и не пригодные для практического применения машины (гальванический элемент при той же мощности, что и униполярный генератор Фарадея, намного проще и удобнее в эксплуатации, не требует приводного механизма). В промышленности в то время господствовали паровые приводы: паровая машина вращала механический вал, от которого с помощью ременных передач получали движение рабочие механизмы. Как сказано в одном из учебников: "электропривод зарождался в недрах века пара". До энергетического кризиса, связанного с ограниченными возможностями центрального теплового двигателя, было еще далеко.

Тем не менее, путь был указан, начались поиски конструктивных решений, позволяющих создать конкурентоспособную электрическую машину. Так как источник электричества уже существовал (гальванический элемент), то все стремились создать электродвигатель, именно, электродвигатель постоянного тока. Парадокс, но машину переменного тока (правда, генератор) создать было бы значительно проще. Нарушим историческую последовательность и рассмотрим принцип работы генераторов переменного и постоянного токов.

Возьмем рамку, выполненную из проводящего металла (в 19-м веке все применяли медь), и разместим ее между полюсами магнита - рисунок 1.1. Концы рамки подсоединим к двум металлическим кольцам, расположенным на оси, вокруг которой они могут вращаться вместе с рамкой, но изолированным от этой оси. К контактным кольцам прижаты щетки, с помощью которых к машине можно подключать внешнюю нагрузку.

Если вращать рамку по часовой стрелке, то в проводниках 1 и 2 при пересечении ими магнитных силовых линий будет наводится ЭДС, величина которой зависит от мгновенного положения рамки в магнитном поле: она равна нулю, если проводник скользит вдоль магнитных линий, и максимальна, когда проводник находится непосредственно под полюсом (пересекая максимальное количество магнитных линий).

Если - угол, составленный нормалью к плоскости рамки и вектором индукции поля , то магнитный поток сквозь рамку

,                                                                                                  (1.1)

где - площадь рамки, а - максимальное значение потока.

При равномерном вращении рамки с угловой скоростью , угол изменяется по закону и наведенная в рамке ЭДС

.                                          (1.2)

Таким образом, за один оборот рамки  ЭДС один раз меняет знак, изменяясь по синусоидальному закону - получили генератор переменного тока. Если к щеткам контактных колец подсоединить нагрузку, в ней будет протекать переменный ток (направление тока в проводниках рамки указано стрелками).

Рисунок 1.1 - Принцип действия генераторов переменного и постоянного токов

И здесь опять необходимо вспомнить Фарадея. В 1832 году Фарадей прислал в редакцию одного из лондонских научных журналов письмо, в котором описывалась следующая конструкция электрического генератора. Постоянные магниты устанавливались на вращающемся диске (их было 4). Под вращающимися магнитами помещались неподвижные обмотки, расположенные на стальном кольце, замыкающем магнитное поле. При вращении диска его магниты наводят в неподвижных обмотках ЭДС, полярность которой меняется в соответствии с полярностью полюсов магнитов - то есть это генератор переменного  тока.  Фарадей указал, что это письмо он получил от неизвестного, который подписался инициалами Р.М. Почти через год в редакцию этого журнала пришло письмо от Р.М., который благодарил Фарадея за публикацию и предлагал более совершенную конструкцию генератора. В истории электротехники так и остался генератор "Р.М." Изобретатель неизвестен. Почему бы не предположить, что им был сам Фарадей, по каким-то причинам, скрывший свое авторство (а инициалы Р. М. - ну, допустим, Patent Maicls).

Легко увидеть, что принцип образования напряжения в генераторе P. M. тот же самый, только вращаются магниты, а не проводники. Большое число витков в обмотках позволяет создать значительную ЭДС - то есть, это уже работоспособная машина.

Если по такому же принципу создавать генератор постоянного тока, то напряжение на контактных кольцах  не должно меняться по знаку, а ЭДС, наводимая в рамке, носит переменный характер. Для устранения этого противоречия концы рамки подсоединяют к двум полукольцам, разделенным слоем изолирующего материала. Это устройство называется коллектором. При вращении рамки к плюсовой щетке через каждую половину оборота подсоединяется то полукольцо, соединенное с проводником 2 рамки, то полукольцо, соединенное с проводником 1. При этом напряжение на щетках не меняется по знаку - получили генератор постоянного тока.

Из описания работы этой простейшей конструкции видно, что генератор переменного тока имеет более простую конструкцию. Но, во-первых, как уже было сказано, стремились создать не генератор, а двигатель; а во-вторых, переменный ток оставался пока невостребованным. Мало того, многие ученые считали, что переменный ток никогда не найдет применения. Ампер говорил, что только постоянный ток является "настоящим" током. Знаменитый Томас Альва Эдисон считал переменный ток "вздором, о котором он и слышать не хочет!".

1.1 Развитие электродвигателей постоянного тока

Основные элементы всех электродвигателей: магнит и проводник с током. П. Барлоу по сути повторил опыт Фарадея (колесо Барлоу): между полюсами магнита помещается проводник - зубчатое колесо, один зубец которого находится в ванночке с ртутью. При прохождении тока через колесо оно поворачивается, электрическая цепь на мгновение разрывается, но в ртуть опускается следующий зубец звездочки, снова замыкая цепь, и т. д.

У. Риччи: расположил в предложенном им электродвигателе между полюсами неподвижного магнита электромагнит, расположенный на вертикальной оси, которая могла вращаться. При пропускании тока через обмотку электромагнита его полюса притягивались к полюсам неподвижного магнита, и электромагнит поворачивался вокруг оси. Для продолжения вращения нужно было изменить полюса электромагнита - изменить направление тока в его обмотке. Риччи создал ртутный коллектор: концы обмотки электромагнита подсоединялись к гальваническому элементу, скользя в ртутном желобе, который разделялся перегородкой на две части.  Опять заметим, что Фарадей предложил более удобную и безопасную конструкцию скользящего контакта (щетка, скользящая по торцу диска в униполярном генераторе).

Многие в своих конструкциях отталкивались от хорошо разработанного в паровых машинах принципа возвратно-поступательного движения поршня. Известен качательный электродвигатель Генри: расположенный горизонтально электромагнит мог поворачиваться (качаться) в вертикальной плоскости. Под полюсами электромагнита вертикально располагались постоянные магниты. Электромагнит имел две обмотки, каждая из которых создавала свою полярность его полюсов. Концы обмоток при соответствующем повороте электромагнита опускались в чашки с ртутью, подсоединяясь таким образом к гальваническому элементу (каждая к своему). В обмотке электромагнита, подсоединенной таким образом к гальваническому элементу, протекал ток. Одноименный с расположенным под ним полюсом постоянного магнита полюс электромагнита отталкивался от него, а противоположный полюс электромагнита притягивался к разноименному с ним полюсу постоянного магнита. Электромагнит поворачивался вокруг своей оси, концы обмотки выходили из ртути, разрывая контакт. При этом концы второй обмотки опускались в чашки с ртутью другого гальванического элемента, по этой обмотке проткал ток, меняющий полярность электромагнита, и т. д. Конечно, это были демонстрационные приборы - мощность этих машин не превосходила 0,05 Вт. Основной итог этого этапа развития электродвигателей - доказано превосходство машин с вращательным движением.