СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………..
История развития электротехники…………………………….
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
И ПЕРВЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ……..
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………
СПИСОК
ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………
ВВЕДЕНИЕ
Впервые явления,
ныне называемые электрическими, были
замечены в древнем Китае, Индии,
а позднее в древней Греции.
Сохранившиеся предания гласят, что древнегреческому
философу Фалесу Милетскому (640-550 гг. до
н. э.) было уже известно свойство янтаря,
натертого мехом или шерстью, притягивать
обрывки бумаги, пушинки и другие легкие
тела. От греческого названия янтаря -
"электрон" - явление это позднее
получило наименование электризации.
На протяжении
многих столетий, электрические явления
считались проявлениями божественной
силы, пока в 17в. ученые не подошли вплотную
к изучению электричества. Кулон, Гильберт,
Отто фон Герике, Мушенбрек, Франклин, Эрстед,
Араго, Ломоносов, Луиджи Гальвани, Алессандро
Вольта – вот далеко не полный список
ученых занимавшихся проблемами электричества.
Особо следует сказать о деятельности
замечательного ученого Андре Мари Ампера,
положившего начало изучению динамических
действий электрического тока и установившему
целый ряд законов электродинамики.
Открытия
Эрстеда, Араго, Ампера заинтересовали
гениального английского физика
Майкла Фарадея и побудили его
заняться всем кругом вопросов о превращении
электрической и магнитной энергии
в механическую. Другой английский физик
Джеймс Клерк (Кларк) Ма́ксвелл 1873 году
издал капитальный двухтомный труд «Трактат
об электричестве и магнетизме», который
объединил понятия электричество, магнетизм
и электромагнитное поле. С этого момента
началась эра активного использования
электрической энергии в повседневной
жизни.
История развития электротехники
Электротехника
(от электро... и техника), отрасль
науки и техники, связанная с
применением электрических и магнитных явлений для преобразования
энергии, получения и изменения химического
состава веществ, производства и обработки
материалов, передачи информации, охватывающая
вопросы получения, преобразования и использования
электрической энергии в практической
деятельности человека.
Историческая
справка. Возникновению электротехники
предшествовал длительный период
накопления знаний об электричестве
и магнетизме, в течение которого
были сделаны лишь отдельные
попытки применения электричества
в медицине, а также для передачи сигналов.
В XVII-XVIII вв. исследованию природы электрических
явлений были посвящены труды М. В. Ломоносова,
Г. В. Рихмана, Б. Франклина, Ш. О. Кулона,
и др. Для становления электротехники
решающее значение имело появление первого
источника непрерывного тока - вольтова
столба(А. Вольта, 1800), а затем более совершенных
гальванических элементов, что позволило
в 1-й трети XIX в. провести многочисленные
исследования химических, тепловых, световых
и магнитных явлений, вызываемых электрическим
током(труды В. В. Петрова, X. К. Эрстеда,
Д. Ф. Араго, М. Фарадея, Дж. Генри, А. М. Ампера,
Г. С. Ома и др.). В этот период были заложены
основы электродинамики, открыт важнейший
закон электрической цепи - Ома закон.
Среди попыток практического использования
результатов этих достижений наиболее
значительными были работы в телеграфии
(электромагнитный телеграф П. Л. Шиллинга,1832),
в военном деле (гальваноударные морские
мины Б. С. Якоби, 1840-е гг.).Открытие электромагнитной
индукции (1831-32) предопределило появление
электрических машин - двигателей и генераторов.
Поскольку все первые потребители электроэнергии
использовали постоянный ток (как наиболее
изученный), первые электрические машины
были постоянного тока машинами. Исторически
электродвигатели стали создаваться раньше
электромашинных генераторов, т. к. в 1-й
трети XIX в. гальванические элементы как
источники тока к большей или меньшей
мере удовлетворяли требованиям практики.
Период совершенствования конструкции
электродвигателя - от лабораторных приборов,
демонстрировавших возможность превращения
электрической энергии в механическую
(установка Фарадея, 1821), до машин промышленного
типа - охватывает приблизительно 50 лет.
В первых электродвигателях подвижная
часть совершала возвратно-поступательное
или качательное движение, а момент на
валу двигателя был пульсирующим (например,
в двигателе Генри). Начиная с середины
30-х гг. XIX в. стали строиться двигатели
с вращающимся якорем. Таким электродвигателем,
получившим практическое применение,
был двигатель, разработанный Якоби (1834--38).
Испытание этого двигателя, приводившего
в движение "электрический бот", показало,
с одной стороны, принципиальную возможность
его практического применения, а с другой
- необходимость создания более экономичного
по сравнению с гальваническими элементами
источника электроэнергии. Таким источником
стал электромашинный генератор, прообразом
которого была униполярная машина Фарадея
(1831). Первыми практически пригодными электромашинными
генераторами были магнитоэлектрические
генераторы, в которых магнитное поле
создавалось постоянными магнитами, а
якорями служили массивные индуктивные
катушки (Якоби, 1842). В 1851 немецкий учёный
В. Зинстеден предложил заменить постоянные
магниты электромагнитами, катушки которых
питались от самостоятельных магнитоэлектрических
генераторов. Дальнейшее совершенствование
конструкции электромашинного генератора
связано с использованием для возбуждения
обмотки электромагнита тока самого генератора.
Промышленное производство генераторов
было начато в 1870 в Париже после того, как
З. Т. Грамм впервые применил в генераторе
с самовозбуждением кольцевой шихтованный
якорь, принципиальная конструкция которого
была предложена для электродвигателя
в 1860 А. Пачинотти. Генератор Грамма работал
не только в генераторном, но и в двигательном
режиме, что положило начало практическому
внедрению принципа обратимости электрических
машин (открытому Э. X. Ленцем, 1832-38) и позволило
значительно расширить область использования
электрических машин. Последующее совершенствование
машин постоянного тока шло по пути улучшения
их конструктивных элементов - замена
кольцевого якоря барабанным (Ф. Хёфнер-Альтенек,
1873), усовершенствование шихтованных якорей
(американский изобретатель Х. Максим,
1880), введение компенсационной обмотки
(1884), дополнительных полюсов (1885) и др.
К 80-м гг. XIX в. электрические машины постоянного
тока приобрели основные конструктивные
черты современных машин. Их совершенствованию
способствовало открытие закона о направлении
индукционных токов, обнаружение и исследование
противоэдс (Якоби, 1840) и реакции якоря
(Ленц, 1847), разработка методов расчёта
электрических цепей (Г. Р. Кирхгоф, 1847)
и магнитных цепей ( английский учёный
Дж. Гопкинсон, нач. 80-х гг.), изучение магнитных
свойств железа (А. Г. Столетов, 1871) и др.
К концу 70-х гг. относятся работы Дж. К.
Максвелла, сформулировавшего уравнения
, являющиеся основой современного учения
об электромагнитном поле.
Создание
надёжных источников тока сделало
возможным удовлетворение возросших
потребностей в электрической энергии
для практических целей. Дальнейшее развитие
электротехники связано с возникновением
электротехнической промышленности и
массовым распространением электрического
освещения, которое в 50-70-х гг. XIX в. заменило
газовое. Идея применения электрической
энергии для освещения была высказана
Петровым в 1802 после открытия дуги электрической.
Первыми электрическими источниками света
были разнообразные дуговые угольные
лампы, среди которых наиболее дешёвой
и простой была "свеча Яблочкова"
(П. Н. Яблочков, 1876). В 1870-75 А. Н. Лодыгин
разработал несколько типов ламп накаливания,
усовершенствованных позднее Т. А. Эдисоном
и получивших преимущественное распространение
к 90 м гг. XIX в. Достижения в создании и применении
электрических источников света оказали
существенное влияние на становление
и развитие светотехники. С распространением
электрического освещения связано создание
электроэнергетических систем. Уже в первых
осветительных устройствах Яблочкова
имелись все основные элементы энергосистем:
первичный двигатель, генератор, линия
электропередачи, трансформатор, приёмник
энергии. Начало применению электроэнергии
для технологических целей положили ещё
работы Якоби (1838), предложившего использовать
электрический ток для получения металлических
копий и для нанесения металлических покрытий.
Но расширение области практического
использования электрической энергии
стало возможно лишь в 70-80-е
гг. XIX в. с решением проблемы
передачи электроэнергии на расстояние.
В 1874 Ф. А. Пироцкий пришёл к выводу об экономической
целесообразности производства электроэнергии
в местах, где имеются дешёвые топливные
или гидроэнергетические ресурсы, с последующей
передачей её к потребителю. В 1880-81 Д. А.
Лачинов и М. Депре независимо друг от
друга предложили для уменьшения потерь
электроэнергии в линии электропередачи
(ЛЭП) использовать ток высокого напряжения.
Первая линия электропередачи на постоянном
токе была построена Депре в 1882 между городами
Мисбахом и Мюнхеном (длина линии 57 км,
напряжение в ней 1.5-2 кв). Однако попытки
осуществить электропередачу на постоянном
токе оказались неэффективными, т. к., с
одной стороны, технические возможности
получения постоянного тока высокого
напряжения были ограничены, а с другой
- было затруднено его потребление. Поэтому
наряду с использованием для передачи
электроэнергии постоянного тока велись
работы по применению в тех же целях однофазного
переменного тока, напряжение которого
можно было изменять (повышать и понижать)
с помощью однофазного трансформатора.
Создание промышленного типа такого трансформатора
( О. Блати, М. Дери, К. Циперновский, 1885,
и др.) по существу решило проблему передачи
электроэнергии. Однако широкое распространение
однофазного переменного тока в промышленности
было невозможно из-за того, что однофазные
электродвигатели не удовлетворяли требованиям
промышленного электропривода, и поэтому
применение однофазного переменного тока
ограничивалось лишь установками электрического
освещения.
В
70-80-е гг. XIXв. электроэнергию начали
использовать в технологических процессах:
при получении алюминия, меди, цинка, высококачественных
сталей: для резки и сварки металлов; упрочнения
деталей при термической обработке и т.
д. В 1878 Сименс создал промышленную конструкцию
электроплавильной печи. Методы дуговой
электросварки были предложены Н. Н. Бенардосом
(1885) и Н. Г. Славяновым (1891).
К концу 70-х гг. относятся также
первые попытки использования
электроэнергии на транспорте, когда
Пироцкий провёл испытания вагона,
на котором был установлен
электрический тяговый двигатель. В
1879 Сименс построил опытную электрическую
дорогу в Берлине. В 80-е гг. трамвайные
линии были открыты во многих городах
Западной Европы, а затем в Америке (США).
В России первый трамвай был пущен в Киеве
в 1892. В 90-е гг. электрическая тяга была
применена и на подземных железных дорогах
(в 1890 в Лондонском метрополитене, в 1896
- в Будапештском), а затем на магистральных
железных дорогах.
В конце XIX в. промышленное использование
электроэнергии превратилось в
важнейшую комплексную технико-экономическую
проблему - наряду с экономичной электропередачей
необходимо было иметь электродвигатель,
удовлетворяющий требованиям электропривода.
Решение этой проблемы стало возможным
после создания многофазных, в частности
трёхфазных, систем переменного тока.
Над этой проблемой работали многие инженеры
и учёные , но комплексное решение предложил
в конце 80-х гг. М. О. Доливо-Добровольский,
который разработал ряд промышленных
конструкций трёхфазных асинхронных двигателей,
трёхфазных трансформаторов, и в 1891 построил
трёхфазную линию электропередачи Лауфен
- Франкфурт (длина линии 170 км).
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
И ПЕРВЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Электри́чество — понятие, выражающее свойства
и явления, обусловленные структурой физических
тел и процессов, сущностью которой является
движение и взаимодействие микроскопических
заряженных частиц вещества (электронов,
ионов, молекул, их комплексов и т. п.).
Гильберт
впервые обнаружил, что свойства
электризации присущи не только янтарю,
но и алмазу, сере, смоле. Он заметил также, что некоторые
тела, например металлы, камни, кость, не
электризуются, и разделил все тела, встречающиеся
в природе, электризуемые и неэлектризуемые.
Обратив особое внимание на первые, он
производил опыты по изучению их свойств.
В 1650 году известный немецкий
ученый, бургомистр города Магдебурга,
изобретатель воздушного насоса Отто
фон Герике построил специальную "электрическую
машину", представлявшую шар из серы
величиной с детскую голову, насаженный
на ось.
Рисунок 1 –
Электрическая машина фон Герике, усовершенствованная
Ван де Графом
Если при
вращении шара его натирали ладонями
рук, он вскоре приобретал свойство притягивать
и отталкивать легкие тела. На протяжении
нескольких столетий машину Герике значительно
усовершенствовали англичанин Хоксби, немецкие ученые
Бозе, Винклер и другие. Опыты с этими машинами
привели к ряду важных открытий:
- в 1707 году французский физик дю Фей обнаружил различие между электричеством, получаемым от трения стеклянного шара и получаемым от трения крута из древесной смолы;
- в 1729 году англичане Грей и Уилер обнаружили способность некоторых тел проводить электричество и впервые указали на то, что все тела можно разделить на проводники и непроводники электричества.
Но значительно
более важное открытие было описано в 1729 году Мушенбреком
- профессором математики и философии
в городе Лейдене. Он обнаружил, что стеклянная
банка, оклеенная с обеих сторон оловянной
фольгой (листочками станиоля), способна
накапливать электричество. Заряженное
до определенного потенциала (понятие
о котором появилось значительно позднее),
это устройство могло быть разряжено со
значительным эффектом - большой искрой,
производившей сильный треск, подобный
разряду молнии, и оказывавшей физиологические
действия при прикосновении рук к обкладкам
банки. От названия города, где производились
опыты, прибор, созданный Мушенбреком,
был назван лейденской банкой.
Рисунок 2 – Лейденская
банка. Параллельное соединение четырёх
банок
Исследования
ее свойств производились в различных
странах и вызвали появление множества
теорий, пытавшихся объяснить обнаруженное
явление конденсации заряда. Одна из теорий
этого явления была дана, выдающимся американским
ученым и общественным деятелем Бенджамином
Франклином, который указал на существование
положительного и отрицательного электричества.
С точки зрения этой теории Франклин объяснил
процесс заряда и разряда лейденской банки
и доказал, что ее обкладки можно произвольно
электризовать разными по знаку электрическими
зарядами[1].
Франклин, как
и русские ученые М. В. Ломоносов и Г. Рихман,
уделил немало внимания изучению атмосферного
электричества, грозового разряда (молнии).
Как известно, Рихман погиб, производя
опыт по изучению молнии. В 1752 году Бенджамином
Франклином изобретен молниеотвод. Молниеотвод
(в быту также употребляется более благозвучное
«громоотвод») — устройство, устанавливаемое
на зданиях и сооружениях и служащее для
защиты от удара молнии. Состоит из трёх
связанных между собой частей:
- молниеприёмник — служит для приёма разряда молнии и располагается в зоне возможного контакта с каналом молнии; в зависимости от защищаемого объекта может представлять собой металлический штырь, сеть из проводящего материала или металлический трос, натянутый над защищаемым объектом
- заземляющий проводник или токоотвод — проводник, служащий для отвода заряда от молниеприёмника к заземлителю; обычно представляет собой провод достаточно большого сечения
- заземлитель — проводник или несколько соединённых между собой проводников, находящихся в соприкосновении с грунтом; обычно представляет собой металлическую плиту, заглублённую в грунт.
В 1785 году Ш.
Кулоном открыт основной закон электростатики.
На основании многочисленных опытов
Кулон установил следующий закон:
Сила
взаимодействия неподвижных зарядов,
находящихся в вакууме, прямо пропорциональна
произведению модулей зарядов и обратно
пропорциональны квадрату расстояния
между ними[1]- [3], [7]:
(1)
В 1799 год Создан
первый источник электрического тока — гальванический
элемент и батарея элементов. Гальванический
элемент (химический источник тока) –
устройство, которое позволяет превращать
энергию химической реакции в электрическую
работу. По принципу работы различают
первичные (разовые), вторичные (аккумуляторы)
и топливные элементы. Гальванический
элемент состоит из ионпроводящего электролита
и двух разнородных электродов (полуэлементов),
процессы окисления и восстановления
в гальваническом элементе пространственно
разделены. Положительный полюс гальванического
элемента называется катодом, отрицательный
- анодом. Электроны
выходят из элемента через анод и движутся
во внешней цепи к катоду.
Работы русских
академиков Эпинуса, Крафта и других
выявили целый ряд весьма важных
свойств электрического заряда, но все они изучали
электричество в состоянии неподвижном
или мгновенный раз ряд его, то есть свойства
статического электричества. Движение
его проявлялось лишь в форме разряда.
Об электрическом токе, то есть о непрерывном
движении электричества, еще ничего не
было известно.
Одним из первых
глубоко исследовал свойства электрического
тока в 1801 -1802 годах петербургский
академик В. В. Петров. Работы этого
выдающегося ученого, построившего
самую крупную в мире в те годы
батарею из 4200 медных и цинковых кружков, установили
возможность практического использования
электрического тока для нагрева проводников.
Кроме того, Петров наблюдал явление электрического
разряда между концами слегка разведенных
углей как в воздухе, так и в других газах
и вакууме, получившее название электрической
дуги. В. В. Петров не только описал открытое
им явление, но и указал на возможность
его использования для освещения или плавки
металлов и тем самым впервые высказал
мысль о практическом применении электрического
тока. С этого момента и должно начинать
историю электротехники как самостоятельной
отрасли техники[1].