История развития электротехники

Опыты с электрическим  током привлекали внимание многих ученых разных стран. В 1802 году итальянский  ученый Романьози обнаружил отклонение магнитной стрелки под влиянием электрического тока, протекавшего по расположенному вблизи проводнику. В конце 1819 года это явление было вновь наблюдаемо датским физиком Эрстедом, который в марте 1820 года опубликовал на латинском языке брошюру под заглавием "Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку". В этом сочинении "электрическим конфликтом" был назван электрический ток.

Едва лишь Араго продемонстрировал на заседании  Парижской Академии наук опыт Эрстеда, как Ампер, повторив его, 18 сентября 1820 года, ровно через неделю, представил в академию сообщение о своих исследованиях. На следующем заседании, 25 сентября, Ампер докончил чтение доклада, в котором он изложил законы взаимодействия двух токов, протекающих по параллельно расположенным проводникам. С этого момента академия еженедельно слушала новые сообщения Ампера о его опытах, завершивших открытие и формулирование основных законов электродинамики. Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что он впервые объединил два разобщенных ранее явления - электричество и магнетизм - одной теорией электромагнетизма и предложил рассматривать их как результат единого процесса природы. Эта теория, встреченная современниками Ампера с большим недоверием, была весьма прогрессивной и сыграла огромную роль в правильном понимании открытых позднее явлений.

В 1827 году немецкий ученый Георг Ом открыл один из фундаментальных  законов электричества, устанавливающий  основные зависимости между силой  тока, напряжением и сопротивлением цепи, по которой протекает электрический ток:

                                                              (2)

В 1847 году Кирхгоф  сформулировал законы развертывания  токов в сложных цепях :

• Первый закон Кирхгофа

Применяется к узлам и формулируется следующим  образом: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю. Знаки определяются в зависимости от того, направлен ток к узлу или от него (в любом случае произвольно).

                                                                (3)

• Второй закон Кирхгофа

Применяется к контурам: в любом контуре сумма напряжений на всех элементах и участках цепи, входящих в этот контур, равна нулю. Направление обхода каждого  контура можно выбирать произвольно. Знаки определяются в зависимости от совпадения напряжений с направлением обхода. 

                                                             (4)

Вторая формулировка: в любом замкнутом контуре  алгебраическая сумма напряжений на всех участках с сопротивлениями, входящих в этот контур, равно алгебраической сумме ЭДС.

                                                     (5)

• Обобщение законов Кирхгофа

Пусть У - количество узлов цепи, В - количество  ветвей, К - число контуров.

Рисунок 3 - Линейная разветвленная электрическая цепь (У=3, В=5, K=6)

 

Закон Ленца-Джоуля. При прохождении электрического тока через металлический проводник электроны сталкиваются то с нейтральными молекулами, то с молекулами, потерявшими электроны. Движущийся электрон либо отщепляет от нейтральной молекулы новый электрон, теряя свою кинетическую энергию и образуя новый положительный ион, либо соединяется с молекулой, потерявшей электрон (с положительным ионом), образуя нейтральную молекулу. При столкновении электронов с молекулами расходуется энергия, которая пре­вращается в тепло. Любое движение, при котором преодолевается сопротивление, требует затраты определенной энергии. Так, например, для перемещения какого-либо тела преодолевается сопротивление трения и работа, затраченная на это, превращается в тепло.

Электрическое сопротивление проводника играет ту же роль, что и сопротивление трения. Таким образом, для проведения тока через проводник источник тока затрачивает некоторую энергию, которая превращается в тепло. Переход электрической энергии в тепловую отражает закон Ленца — Джоуля или закон теплового действия тока. Русский ученый Ленц и английский физик Джоуль одновременно и независимо один от другого установили, что при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекал по проводнику. Это положение называется законом Ленца — Джоуля.

 Если обозначить  количество теплоты, создаваемое  током, буквой Q, силу тока, протекающего  по проводнику,—  I, сопротивление проводника r и время, в течение которого ток протекал по проводнику, t,  то закону Ленца — Джоуля можно придать следующее выражение:

Q=I2×R×t,

Закон электромагнитной индукции Фарадея.  Как известно, электрические токи создают вокруг себя магнитное поле. Связь магнитного поля с током привела к многочисленным попыткам возбудить ток  в контуре с помощью магнитного поля. Эта фундаментальная задача была блестяще решена в 1831 году английским физиком М.Фарадеем, открывшим явление электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного. Вот примеры классических опытов Фарадея с помощью которых было обнаружено явление электромагнитной индукции.

 

 Опыт первый (см. рис. 1). Если в замкнутый на гальванометр соленоид вдвигать или выдвигать постоянный магнит, то в момент его вдвигания или выдвигания наблюдается отклонение стрелки гальванометра (возникает индукционный ток); направления отклонения стрелки при вдвигании и выдвигании магнита противоположны. Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки. При изменении полюсов магнита направление отклонения стрелки изменится. Для получения индукционного тока магнит можно оставлять неподвижным, тогда нужно относительно магнита передвигать соленоид.

  

 

Опыт  второй. Концы одной из катушек, вставленных одна в другую, присоединяются к гальванометру, а через другую катушку пропускается ток. Отклонение стрелки гальванометра наблюдается в момент включения или выключения тока, в момент его увеличения или уменьшения, или при перемещении катушек друг относительно друга (рис. 2). Направление отклонения стрелки гальванометра также противоположны при включении или выключении тока, при его увеличении или уменьшении, сближении или удалении катушек.

   Обобщая  результаты своих многочисленных  опытов, Фарадей пришел к выводу, что индукционный ток возникает  всегда, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции. Например, при повороте в одноименном магнитном поле замкнутого проводящего контура в нем также возникает индукционный ток. В данном случае индукция магнитного поля вблизи проводника остается постоянной, а меняется только поток магнитной индукции сквозь контур.    Опытным путем также было установлено, что значение индукционного тока совершенно не зависит от способа изменения потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения. Открытие явления электромагнитной индукции имело большое значение, так как была доказана возможность получения электрического тока с помощью магнитного поля. Этим была установлена взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями, что послужило в дальнейшем толчком для разработки теории электромагнитного поля.

   Анализируя  результаты, полученные опытным  путем, Фарадей пришел к количественному  закону электромагнитной индукции. Он показал, что всякий раз,  когда происходит изменение сцепленного  с контуром потока магнитной индукции, в контуре возникает индукционный ток; возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи электродвижущей силы, называемой электродвижущей силой электромагнитной индукции. Значение индукционного тока, а, следовательно, и э.д.с. электромагнитной индукции определяется только скоростью изменения магнитного потока, т.е.

    Теперь  необходимо выяснить знак E. Вообще, знак магнитного потока зависит  от выбора положительной нормали  к контуру. В свою очередь,  положительное направление нормали определяется правилом правого винта. Следовательно, выбирая положительное направление нормали, мы определяем как знак потока магнитной индукции, так и направление тока и э.д.с. в контуре. Пользуясь этими представлениями и выводами, можно соответственно прийти к формулировке закона электромагнитной индукции Фарадея: какова бы ни была причина изменения потока магнитной индукции, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре э.д.с

     Знак минус показывает, что увеличение потока (dФ/dt>0) вызывает э.д.с E < 0, т.е. поле индукционного тока направленно навстречу потоку; уменьшение потока (dФ/dt<0) вызывает E > 0, т.е. направление потока и поля индукционного тока совпадают. Знак минус в формуле правилом Ленца - общим правилом для нахождения направления индукционного тока, выведенного в 1833 г.

   Закон  Фарадея можно сформулировать  еще таким образом: э.д.с. электромагнитной  индукции в контуре численно  равна и противоположна по  знаку скорости изменения магнитного  потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

   Этот  закон является универсальным:  э.д.с. не зависит от способа  изменения магнитного потока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        

                                         

 

                                       ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение  истории человеческого общества вообще и истории техники в  частности позволяют простелить сложный взаимосвязанный и взаимообусловленный  процесс становления и развития человека и техники. Человек создавал все новые и более совершенные средства труда, повышал производительность своего труда и накапливал научные знания и массу производимого продукта.  Передавая часть своих функций технике, он наделял многие технические устройства такими качествами, которые ранее были присуши только человеку. Механические, электромагнитные, электронные, лазерные, химические, биологические, информационные и другие системы позволяли человеку все более и более познавать мир и гармонию Природы, достичь поистине непредсказуемого: с одной стороны созданные человеком гигантские технические объекты обладают мощностями, соизмеримыми с геофизическими и космическими, способными уничтожить все живое на Земле, с другой — ресурсы планеты, катастрофически истощаясь, уже не в состоянии удовлетворять технические и энергетические потребности общества. Во всех развитых странах разрабатываются новые технологии накопления, преобразования и экономии потребления энергии, идет поиск наиболее технически доступных, экологически безопасных томлив, внедряются более эффективные и энергосберегающие технологии, мысли ученых обращаются к другим видам источников энергии, и в первую очередь к Солнцу. Человечество уже ищет выход за пределы планеты. Опасность ядерной, генной, экологической катастроф привела государства с различным общественным строем к попытке подняться выше своих социально-экономических различий во имя общечеловеческих интересов н ценностей. Глобальные проблемы встают во весь свой рост и порой отодвигают на второй план то, что еще вчера казалось главным и определяющим. Надежность и безопасность работы современных гигантов промышленности, сохранение и защита окружающей среды, комфортные и здоровые условия жизни людей всех стран и континентов — вот те проблемы, которые волнуют ныне все человечество. Именно эти потребности формируют социальный заказ современной науке и технике. Совершенно очевидно, что электротехнике и электронике принадлежит одна из ведущих ролей в ролей в реализации этого сопельного заказа. Ставшие привычными в нашей повседневной жизни вещи, использующие электроэнергию, являются плодами научной и технической мысли многих поколений ученых. Часто понимание практической ценности и значимости открытых явлений приходило с запозданием или приходило со следующим поколением ученых. Однако, нельзя не отметить, что именно развитие электротехники, способствовало ускорению технического прогресса. Создание и развитие электрических машин постоянного и переменного тока позволило проектировать гибкие системы управления, что не могло быть реализуемо на двигателях, использующих энергию газа и жидкости. Развитие микропроцессорной техники позволило создавать мощные компьютеры, участвующие в экспериментах физиков-теоретиков, открывающих тайны мироздания (БАК в Церне). По моему глубокому убеждению, в области электротехники осталось еще не мало загадок, тайн и великих открытий.

 

               СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. История  энергетической техники/ Л. Д. Белькинд., О. Н. Веселоккий, И. Я. Конфедератов, Я. А. Шнейберг. М.: Госэнергоиздат, 1960.
2. Кудрявцев П. С., Конфедератов И. Я. История физики и техники. М.: Учпедгиз, 1960.
3. Электродвигатель в его историческом развитии: Документы и материалы/ Под. ред. В. Ф. Миткевича. М.: Изд-во АН СССР. 1936.
4. Развитие электротехники в СССР/ Под ред. А.Г . Иосифьяна. М.: 1ШН- ТИ. 1962.
5. Демирчяи К. С, Нетушил А. В. Развитие теоретической электротехник* за 60 лет Советской власти. Электричество. 1972. №12.
6. Симоненко О. Д. Электротехническая  наука в первой половине XX века. М.: Наука. 1988.
7. Павел Николаевич Яблочков. Труды, документы и материалы. Составитель Л. Д. Белысинд. М.: Изд-во АН СССР, 1954.
8. Белысинд Л. Д. Павел Николаевич Яблочков. М.: Госэнергоиздат, 1950.