История развития электротехники

Общие сведения

Электрические и магнитные явления наблюдались еще в глубокой древности. История светотехники насчитывает немногим более полутора столетий. Её начало относят к моменту создания первого электрохимического генератора в 1800 г. До этого были сделаны только первые шаги по созданию простейших электростатических машин и приборов и установлению некоторых закономерностей в области статического электричества и магнетизма.

С 1800 по 1830 г. происходило изучение действий электрического тока, был установлен ряд закономерностей в области электромагнетизма, а также проведены первые опыты по практическому применению электричества. В это время разрабатываются основы электродинамики, закладывается фундамент электротехники. Эти годы считают первым этапом развития электротехники.

Второй этап развития электротехники (1831-1870) начался с открытия электромагнитной индукции, а завершился созданием первого промышленного электрического генератора.

Третий этап (1870-1891) ознаменовался внедрением в промышленность электромашинного генератора постоянного тока и завершением исследований в области многофазных систем. Это период интенсивного развития электротехники в условиях децентрализованного производства электроэнергии и начального развития электростанций. В это время начинается становление электротехники как самостоятельной отрасли.

Решение проблемы передачи электроэнергии на расстояние, разработка промышленных типов трансформатора и асинхронного двигателя создали предпосылки для широкого развития электрификации. С этого времени начинается четвертый этап в развитии электротехники, продолжающийся до нашего времени.

Остановимся кратко на важнейших открытиях, способствовавших становлению электростатики.

Первые наблюдения электрических и магнитных явлений относятся к VI-VII вв. до нашей эры. В течение многих веков представления о сущности этих явлений были весьма примитивными. Несмотря на это, магнит нашел практическое применение еще до нашей эры в странах древнейших культур - Китае и Индии.

Первое научное сочинение в этой области принадлежит У. Гильберту, опубликовавшему в 1600 г. научную работу «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле». Гильберт ввел в науку термин «электричество», назвав «электрическими» тела, способные электризоваться. Дальнейшее изучение электрических явлений привело к созданию разнообразных электрических машин и приборов. Были разработаны первая электростатическая машина (1650), лейденская банка (конденсатор) (1745), электроизмерительный прибор Ломоносова (получив одноименный заряд, витки пружины стремятся оттолкнуться, увлекая за собой пластинку с закрепленным на ней стержнем; степень опускания стержня фиксировалась с помощью «усов»), электрический указатель Г. В. Рихмана (первый прибор непосредственной оценки) и крутильные весы Ш. О. Кулона (один из наиболее точных приборов своего времени, позволивший Кулону в 1785 г. установить закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов).

Создание первых электроизмерительных приборов положило начало установлению количественных закономерностей в области электромагнитных явлений. Большое значение имели работы, выявившие электрическую природу грозовых явлений в атмосфере, а также разработка теорий электричества (М. В. Ломоносов, Б. Франклин) и создание разнообразных молниеотводов (М. В. Ломоносов, Б. Франклин, П. Дивиш).

Для практики наиболее удачными оказались опыты по использованию электричества в медицинских целях. В многочисленных трудах конца XVIII - начала XIX в. описывались разнообразные электростатические машины и при-боры, предназначенные для электролечения. Эти работы немало способствовали расширению знаний в области электричества, установлению влияния электрических разрядов на организм животных и человека, выявлению электроизоляционных свойств стекла, сургуча, смолы, хлопчатобумажных тканей, шелка.

Представляют большой интерес труды русского ученого А. Т. Болотова. Им была создана своеобразная электролечебница, в которой устанавливались простые и «особливо маленькие, складные дорожки» электростатические машины, производившие, однако, «изрядное действие». Свой опыт он обобщил в книге «Краткие и на опытности основанные замечания об элек- трицизме и способности электрических махин к помоганию от разных болезней», изданной в Петербурге в 1803 г.

Начальный этап развития электротехники

В течение многих столетий вплоть до последней четверти XVIII в. ученым были известны только явления статического электричества. Промышленный переворот в XVIII в. дал мощный толчок развитию различных отраслей науки, в том числе науки об электричестве. В изучении электрических явлений были достигнуты определенные успехи, ими начинают все более интересоваться не только физики, но и естествоиспытатели, в особенности врачи, пытавшиеся применять электричество для лечебных целей.

Отдельные ученые высказывали предположения, что если «вся природа электрическая», то и в организмах человека и животных по жилам и мускулам должна протекать эта таинственная материя. Одним из подтверждений указанных воззрений были электрические рыбы, известные еще с древних времен. Так возникло представление о новом виде электричества, названном «животным».

Исследованием мышечных движений лягушек занялся профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани (1737-1798). Первые электрофизиологические опыты Л. Гальвани над лягушками относятся к 1770 г. Спустя 11 лет он опубликовал результаты своих исследований в знаменитом «Трактате о силах электричества при мышечном движении», получившем широкую известность [5, 6].

Во время одного из экспериментов, когда препарированная лягушка лежала на столе, на котором находилась электростатическая машина, Л. Гальвани заметил, что если прикоснуться скальпелем (или любым проводником) к бедренному нерву лягушки в момент, когда из кондуктора машины извлекается искра, то мышцы лягушки судорожно сокращаются. Логично было предположить, что и атмосферное электричество должно действовать аналогично. И действительно, при возникновении молнии мышцы лягушки сокращались. Желая выяснить, какие явления будут наблюдаться при ясной погоде, Л. Гальвани прикрепил медный крючок к железным перилам балкона. Прижимая другой конец крючка к перилам, он снова наблюдал сокращение мышц лягушки. Подозревая, что состояние атмосферы не действует на лягушку, он повторил эксперимент в своей домашней лаборатории: положив препарированную лягушку на металлическую обшивку стола и прижав медный крючок, продетый через спинной мозг лягушки, к столу, он снова увидел сильные сокращения мышц лягушки. Однако после замены одного из металлов непроводником мышечных сокращений у лягушки не происходило. Но сокращения были «энергичнее и продолжительнее», если лягушка лежала не на железном листе, а на серебряной пластине.

Л. Гальвани сделал правильное предположение о том, что сокращение мышц вызывается действием электрических сил, что мышцы и нервы образуют как бы две обкладки лейденской банки. Но нужно было решить очень важный вопрос: как и где во всех этих опытах возникает электричество? Ни железная пластинка, ни медный крючок, соприкасавшиеся с телом лягушки, не могли, по представлениям физиков того времени, служить источником электричества, так как на металлы смотрели только как на проводники, считая, что они могут становиться «электрическими» лишь через прикосновение к наэлектризованным телам; тогда оставалось предположить, что таким источником является сама лягушка. Все это создавало почву для представлений о существовании особого - «животного» - электричества; такую мысль и высказал Л. Гальвани для объяснения наблюдавшихся им фактов. Этому предположению Л. Гальвани придал форму теории, изложенной в упомянутом «Трактате о силах электричества при мышечном движении». Тело животного являлось, согласно взглядам Л. Гальвани, своеобразной лейденской банкой, способной на непрерывное повторное действие.

Опыты Л. Гальвани вызвали большой интерес. Среди физиологов стала еще больше, чем ранее, укрепляться мысль об электричестве как удивительном новом средстве для исцеления. Что касается физиков, то их взгляды на явления, наблюдавшиеся Л. Гальвани, разошлись. Одни соглашались с Л. Гальвани и считали, что «гальваническое», или «животное», электричество имеет совершенно иную природу, чем электричество трения; другие отождествляли оба вида электричества; наконец, третья группа физиков вообще оспаривала существование «животного» электричества. К этой группе принадлежал профессор физики Павийского университета (Италия) Алессандро Вольта.

Создание первого источника электрического тока

В течение нескольких лет (1792-1795) А. Вольта (рис. 2.1) не только повторил все опыты Л. Гальвани, но и произвел ряд новых исследований. И если Л. Гальвани искал причину обнаруженных им явлений как физиолог, то А. Вольта, будучи физиком, искал в них физические процессы [6, 7]. Прежде всего он обратил внимание на факт, уже известный Л. Гальвани, что сокращения мышц наиболее интенсивно происходят при использовании двух разнородных металлов. Продолжая исследования, он отверг идеи Л. Гальвани о «животном» электричестве и пришел к выводу, что источником электричества является контакт двух разнородных металлов: «Металлы не только прекрасные проводники, но и двигатели электричества. ...Лягушка, приготовленная по способу Гальвани, есть чувствительнейший электрометр», - утверждал А. Вольта [9].

Обобщением исследований А. Вольта была предложенная им теория «контактного электричества», суть которой такова: при соприкосновении различных металлов происходит разложение их «естественного» электричества; при этом электричество одного знака собирается на одном металле, а другого - на другом. Силу, возникающую при контакте двух металлов и разлагающую их «естественное» электричество, А. Вольта назвал электровозбудитель- ной, или электродвижущей, силой; эта сила «перемещает электричество так, что получается разность напряжений» (между металлами. - Авт .) [8].

Исследовав этот вопрос при помощи созданного им весьма чувствительного прибора - электроскопа с конденсатором, А. Вольта установил, что металлы можно распределить в некоторый ряд, в котором «разность напряжений» между двумя металлами будет тем больше, чем дальше они расположены один от другого.

С современной точки зрения совершенно очевидна ошибочность идеи Вольта о возможности получения электрического тока посредством простого контакта разнородных металлов, т. е. получения электрической энергии без затраты для этого какого-либо другого вида энергии. Однако в начале XIX в. эта теория контактного электричества нашла много сторонников и на некоторое время удержалась в науке.

Многочисленные эксперименты привели А. Вольта к выводу, что непрерывный электрический «флюид» может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников - металлов (которые он называл «проводниками первого класса») и жидкостей (названных им «проводниками второго класса»). Опыты А. Вольта завершились построением в 1799 г. первого источника непрерывного электрического тока, составленного из медных и цинковых кружков (пар), переложенных суконными прокладками, смоченными водой или кислотой. Этот прибор, о котором он впервые сообщил президенту Лондонского королевского общества в марте 1800 г., был назван им «электродвижущим аппаратом», а позже французы стали его называть «гальваническим или вольтовым столбом» (рис. 2.2).

Необходимость применения проводников второго класса (суконных кружков, смоченных водой или кислотой) А. Вольта объяснял следующим: при соприкосновении двух различных металлов электричество одного знака сосредоточивается на одном металле, а электричество противоположного знака - на другом. Если составить столб из нескольких пар различных металлов, например цинка и серебра (без прокладок), то каждая цинковая пластина будет находиться в соприкосновении с одинаковыми серебряными пластинами и их общее действие будет взаимно уничтожаться. Для того чтобы действие отдельных пар суммировалось, необходимо обеспечить соприкосновение каждой цинковой пластинки только с одной серебряной. Это осуществляется с помощью проводников второго рода - суконных кружков, смоченных водой или кислотой, разделяющих пары металлов и не препятствующих движению электричества. Таким образом, А. Вольта, не понимая того, что электрический ток возникает в результате химических процессов между металлами и жидкостями, практически пришел к созданию гальванического элемента, действие которого основывалось именно на превращении химической энергии в электрическую. Хотя Вольта и заметил, что поверхности приведенных в контакт разнородных металлов, составляющих гальваническую пару, подвергаются изменению (окисляются), тем не менее он не придал этому факту никакого значения.

А. Вольта предложил кроме столба еще и несколько иную конструкцию источника электрического тока - так называемую чашечную батарею (рис. 2.3), действие которой, по его мнению, также было основано на контакте между двумя металлами (влажную суконную прокладку столба заменяла жидкость). Чашечная батарея представляла собой соединение отдельных элементов, имевших форму банок, наполненных разбавленной серной кислотой, в которую погружались одна медная и одна цинковая пластины. Кроме предложенных А. Вольта конструкций источника электрического тока вскоре были разработаны некоторые другие его модификации.

Создание вольтова столба подготовило почву для закладки фундамента электротехники. Современник А. Вольта, выдающийся французский ученый, академик Доменик Франсуа Араго (1786-1853) считал вольтов столб «самым замечательным прибором, когда-либо изобретенным людьми, не исключая телескопа и паровой машины». В этом определении нельзя усматривать преувеличения. Вольтов столб - это первый источник непрерывного электрического тока, сыгравший громадную роль как в развитии науки об электричестве, так и в расширении его практических приложений. В различных модификациях он долгое время оставался самым распространенным источником электрического тока. Крупнейшие ученые первой половины XIX в. В. В. Петров, X. Дэви, А. Ампер, М. Фарадей широко применяли вольтов столб для своих опытов.

Научный вклад итальянского ученого был высоко оценен его современниками. Легенды об А. Вольта ходили среди ученых уже при его жизни. Создав вольтов столб, А. Вольта подарил миру, как писал один из его биографов, «невиданный ранее источник электричества, не порциями, как от банок и электрофоров, а непрерывным потоком».

Заслуживают внимания трактат А. Вольта «Об идентичности гальванического и электрического флюидов», его высказывания о «сходстве» электричества и магнетизма.

Современники называли А. Вольта самым великим физиком, жившим в Италии после Галилея. В 1881 г. на Международном конгрессе электриков в Париже единице напряжения было присвоено наименование «вольт».

 Обнаружение и изучение действия электрического тока

Первые же опыты с электрическим током не могли не привести к открытию некоторых присущих ему свойств. Поэтому рассматриваемый период в истории электричества характеризуется главным образом обнаружением и изучением различных действий электрического тока. Масштабные исследования электрического тока в первые годы XIX в. привели к открытию его химических, тепловых, световых и магнитных действий.

В 1800 г. вскоре после получения известия об изобретении вольтова столба члены Лондонского королевского общества Антони Карлейль 17681840) и Вильям Никольсон (1753-1815) [5] произвели ряд опытов с вольтовым столбом, которые привели их к открытию нового явления: при прохождении тока через воду имело место выделение газовых пузырьков; исследовав выделявшиеся газы, они правильно установили, что это кислород и водород. Таким образом, впервые был осуществлен электролиз воды. Вскоре после опубликования работ А. Карлейля и В. Никольсона (1800) немецкий физик Иоганн В. Риттер (1776-1810) также осуществил разложение воды током. После открытия действия тока на воду ряд ученых заинтересовался вопросом о том, к каким результатам приведет пропускание тока через другие жидкости. В том же 1800 г. голландский химик Вильям Крейкшенк (1745-1800), пропуская ток через раствор поваренной соли, получил на отрицательном полюсе едкий натр, не подозревая, что здесь имела место вторичная реакция: поваренная соль разлагалась на Na и Cl, причем натрий, соединяясь с водой, образовывал едкий натр.