История развития электротехники

Однако после подтверждения правильности закона Г. С. Ома такими известными электротехниками, как петербургские академики Эмилий Хри- стианович Ленц и Борис Семенович Якоби (1801-1874), а также присуждения Г. С. Ому золотой медали Лондонским королевским обществом (1842) его труд по праву занял почетное место в науке. Он явился фундаментом теоретической электротехники и сохранил свое значение до наших дней. На Первом Международном конгрессе электриков единица сопротивления тока была названа «омом».

Кроме исследований в области электрических цепей Ом занимался проблемами акустики, поляризации света, создавал оригинальные демонстрационные приборы. В ответ на просьбы коллег Ом написал очень содержательный и хорошо иллюстрированный учебник по физике, однако второй том своего капитального труда завершить не успел. Ом писал, что работа над учебником принесла ему «много радости». Сохранилось также немало электромагнитных устройств, созданных руками Ома (рис. 2.11).

Выдающиеся открытия в области электричества и магнетизма, связанные с именами А. Ампера, Г. С. Ома, М. Фарадея, Э. Х. Ленца, требовали более точного количественного описания этих явлений, их математического анализа и разработки расчетных методов, необходимых для решения практических задач, выдвигаемых развивающимся производством. Выдающимся вкладом в решение этих задач явились труды профессора Берлинского университета Густава Роберта Кирхгофа (1824-1887) (рис. 2.12).

В 1845 г., когда Г. Р. Кирхгофу был всего 21 год, он написал работу «О протекании электрического тока через плоскую пластину, например, круглой формы». В примечании к этой работе были сформулированы два закона Г. Р. Кирхгофа, ставшие фундаментальными законами теоретической электротехники. Они еще при жизни Г. Р. Кирхгофа вошли во все учебники физики и до сих пор широко применяются электротехни- Рис. 212. Г. Р. Кирхгоф ками всего мира.

В последующих трудах Г. Р. Кирхгофа были рассмотрены количественные соотношения, связанные с явлением электромагнитной индукции и изучением переходных процессов.

Открытие явления электромагнитной индукции

Большой вклад в современную электротехнику внес английский ученый Майкл Фарадей (рис. 2.13), труды которого, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами по изучению электрических и магнитных явлений [5, 6, 9].

Есть нечто символическое в том, что в год рождения М. Фарадея (1791) был опубликован трактат Луиджи Гальвани с первым описанием нового физического явления - электрического тока, а в год его смерти (1867) была изобретена динамо-машина - самовозбуждающийся генератор постоянного тока, т. е. появился надежный, экономичный и удобный в эксплуатации источник электрической энергии. Жизнь великого ученого и его уникальная по методам, содержанию и значению деятельность не только открыли новый раздел физики, но и сыграли решающую роль в рождении новых отраслей техники - электро- и радиотехники.

Вот уже более века многие поколения учащихся на уроках физики и из многочисленных книг узнают историю замечательной жизни одного из самых знаменитых ученых, члена 68 научных обществ и академий. Обычно имя М. Фарадея связывают с самым значительным и потому наиболее известным открытием - явлением электромагнитной индукции, сделанным им в 1831 г. Но еще за год до этого, в 1830 г., за исследования в области химии и электромагнетизма М. Фарадей был избран почетным членом Петербургской академии наук, членом же Лондонского королевского общества (Британской академии наук) он был избран еще в 1824 г. С 1816 г. (когда увидела свет первая научная работа М. Фарадея, посвященная химическому анализу тосканской извести) по 1831 г. (когда стал публиковаться его знаменитый научный дневник «Экспериментальные исследования по электричеству») М. Фарадеем было опубликовано свыше 60 научных трудов.

Каждое исследование М. Фарадея отличалось такой обстоятельностью и настолько согласовывалось с предыдущими результатами, что среди современников почти не находилось критиков его работ.

Если исключить из рассмотрения химические исследования М. Фарадея, которые в своей области также явились эпохой (достаточно упомянуть об опытах сжижения газов, об открытии бензола, бутилена), то все его работы образуют картину всестороннего исследования двух проблем: взаимопревращений различных форм энергии и физического содержания среды.

Работам М. Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Ампера, Био, Савара, проведенных в 1820 г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь, как уже отмечалось, действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендикулярно проводнику. М. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника с током? Опыт подтвердил гипотезу. В 1821 г. Фарадей дал описание физического прибора, схематически представленного на рис. 2.14. В левом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника. В правом сосуде стержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Поскольку в этом опыте впервые фигурирует магнитоэлектрическое устройство с непрерывным движением, то вполне правомерно начать именно с этого устройства историю электрических машин вообще и электродвигателя в частности. Обратим также внимание на ртутный контакт, нашедший впоследствии применение в электромеханике.

Именно после этого опыта, судя по всему, у Фарадея начинают складываться представления о всеобщей «взаимопревращаемости сил». Получив при помощи электромагнетизма непрерывное механическое движение, он ставит перед собой задачу обратить явление или, по терминологии М. Фарадея, «превратить магнетизм в электричество».

Только абсолютная убежденность в справедливости гипотезы о «взаи- мопревращаемости» может объяснить целеустремленность и настойчивость ученого: тысячи опытов и 10 лет напряженного труда, затраченного на решение поставленной задачи. В августе 1831 г. был сделан решающий опыт, а 24 ноября на заседании в Королевском обществе была изложена сущность явления электромагнитной индукции.

Майкл Фарадей после открытия им явления электромагнитной индукции не только объяснил причину вращения медного диска под влиянием магнита, но и указал практический путь использования этого явления. Опытным путем Фарадей показал, как получается электричество из магнита. Принеся в лабораторию большой подковообразный электромагнит (рис. 2.16), к его полюсам он прикрепил два стальных бруска и в промежуток между ними ввел край медного диска. Край диска и его ось были соединены посредством щеток с гальванометром. При вращении диска стрелка гальванометра «показывала наличие в нем электрического тока», причем стрелка испытывала не мгновенный толчок, а все время находилась в отклоненном положении, пока диск вращался. Это был первый в мире электромашинный генератор, получивший позднее название униполярного генератора. С него начинается история электрических машин.

Практически одновременно с М. Фарадеем электромагнитную индукцию наблюдал выдающийся американский физик Джозеф Генри (1797-1878) (рис. 2.15). Не трудно себе представить переживания ученого, будущего президента Национальной академии наук США, когда он, собираясь опубликовать свои наблюдения, узнал о публикации М. Фарадея.

Год спустя Д. Генри открыл явление самоиндукции и экстратоки, а также установил зависимость индуктивности цепи от свойств материала и конфигурации сердечников катушек. Рис. 215 Д. Генри

В 1838 г. Д. Генри изучал «токи высшего порядка», т. е. токи, индуцированные другими индуцированными токами. В 1842 г. продолжение этих исследований привело Д. Генри к открытию колебательного характера разряда конденсатора (позднее, в 1847 г., это открытие повторил выдающийся немецкий физик Герман Гельмгольц (1821-1894)).

Обратимся к главным опытам М. Фарадея. Первая серия опытов [9] закончилась экспериментом, демонстрировавшим явление «вольта-электрической» (по терминологии М. Фарадея) индукции (рис. 2.17, а-г). Обнаружив возникновение тока во вторичной цепи 2 при замыкании или размыкании первичной цепи 1 или при взаимном перемещении первичной и вторичной цепей (рис. 2.17, в), М. Фарадей поставил эксперимент для выяснения свойств индуцированного тока: внутрь спирали 6, включенной во вторичную цепь, помещалась стальная игла 7 (эис. 2.17, б), которая намагничивалась индуцированным током. Результат говорил о том, что индуцированный ток подобен току, получаемому непосредственно от гальванической батареи 3.

Заменив деревянный или картонный барабан 4 (рис. 2.17, б), на который наматывались первичная и вторичная обмотки, стальным кольцом (рис. 2.17, г), Фарадей обнаружил более интенсивное отклонение стрелки гальванометра 5. Данный опыт указывал на существенную роль среды в электромагнитных процессах. Здесь М. Фарадей впервые применяет устройство, которое можно назвать прототипом трансформатора.

Вторая серия опытов иллюстрировала явление электромагнитной индукции, возникавшее при отсутствии источника напряжения в первичной цепи. Исходя из того что катушка, обтекаемая током, идентична магниту, М. Фарадей заменил источник напряжения двумя постоянными магнитами (рис. 2.17, д) и наблюдал ток во вторичной обмотке при замыкании и размыкании магнитной цепи. Это явление он назвал «магнитоэлектрической индукцией»; позднее им было отмечено, что никакой принципиальной разницы между «вольта-электрической» и «магнитоэлектрической» индукцией нет. Впоследствии оба эти явления были объединены термином «электромагнитная индукция».

В заключительных экспериментах (рис. 2.17, е, ж) демонстрировалось появление индуцированного тока при движении постоянного магнита или катушки с током внутри соленоида. Именно этот опыт нагляднее других продемонстрировал возможность превращения «магнетизма в электричество» или, точнее, механической энергии в электрическую.

М. Фарадей обращает внимание на терминологию и способ объяснения явления. Для определения направления индуцированного тока он вводит «правило ножа», перерезающего силовые линии. Это еще не закон Э. Х. Ленца, для которого свойственна универсальность характеристики явления, а только попытки каждый раз путем подробных описаний установить, будет ли ток протекать от рукоятки к кончику лезвия или наоборот. Но здесь важна принципиальная картина: М. Фарадей в противовес сторонникам теории дальнодействия, заполняет пространство, в котором действуют различные силы, материальной средой, эфиром, развивая эфирную теорию Л. Эйлера, находившегося, в свою очередь, под влиянием идей М. В. Ломоносова.

М. Фарадей придавал магнитным, а затем, при исследовании диэлектриков, и электрическим силовым линиям физическую реальность, наделял их свойством упругости и находил очень правдоподобные объяснения самым различным электромагнитным явлениям, пользуясь представлением об этих упругих линиях, похожих на резиновые нити.

Прошло более полутора столетий, а ученые до сих пор не нашли более наглядного способа и схемы объяснения явлений, связанных с индукцией и электромеханическими действиями, чем знаменитая концепция фарадеев- ских линий, которые и поныне нам представляются вещественно ощутимыми.

Из диска Д. Ф. Араго М. Фарадей сделал новый источник электричества. Заставив вращаться алюминиевый или медный диск между полюсами магнита, Фарадей наложил на ось диска и на его периферию щетки. Таким образом была сконструирована электрическая машина, получившая позднее наименование униполярного генератора.

При анализе работ М. Фарадея отчетливо проявляется генеральная идея, которая разрабатывалась великим ученым всю его творческую жизнь. Складывается впечатление, что он занимался только одной проблемой взаимопревращений различных форм энергии, а все его открытия совершались между делом и служили лишь целям иллюстрации главной идеи. Он исследует различные виды электричества (животное, гальваническое, магнитное, термоэлектричество) и, доказывая их качественную тождественность, открывает закон электролиза. При этом электролиз, как и сокращение мышц препарированной лягушки, служил первоначально лишь доказательством того, что все виды электричества проявляются в одинаковых действиях.

Исследования статического электричества и явления электростатической индукции привели М. Фарадея к формированию представлений о диэлектриках. Дальнейшее исследование взаимодействия и взаимопревращения сил привели его к открытию магнитного вращения плоскости поляризации света, к открытию диа- и парамагнетизма. Убежденность во всеобщности взаимопревращений заставила М. Фарадея даже обратиться к исследованию связи между магнетизмом и электричеством, с одной стороны, и силой тяжести - с другой.

Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) (рис. 2.18), родившийся в год открытия явления электромагнитной индукции, очень скромно оценивал свои заслуги перед наукой, подчеркивая, что он лишь развил и облек в математическую форму идеи М. Фарадея. Максвеллову теорию электромагнитного поля [14, 15] по достоинству оценили ученые конца XIX - начала XX в., когда на идеях Фарадея - Максвелла начала развиваться радиотехника.

В подтверждение таланта М. Фарадея, его умения проникать в глубь сложнейших физических явлений стоит упомянуть, что еще в 1832 г. гениальный ученый рискнул предположить, что электромагнитные процессы носят волновой характер, причем магнитные колебания и электрическая индукция распространяются с конечной скоростью.

Зарождение теоретических основ электротехники

Как известно, процессы в электрической цепи определяются скалярными величинами - электродвижущей силой (или напряжением) и током. Напомним, что автором термина «электродвижущая сила» был А. Вольта. После первых качественных и количественных исследований в 20-е гг. XIX в. стали формироваться физические основы теории электрических токов и основы расчетов электрических цепей (А. Ампер, Г. С. Ом). Еще до Г. Р. Кирхгофа ученые находили токи в разветвлениях цепей, но только Г. Р. Кирхгофу в 1845-1847 гг. удалось сформулировать известные топологические законы (названные его именем), которые легли в основу всех последующих методов расчета цепей.

В 1845 г. немецкий физик-теоретик Франц Эрнст Нейман (1798-1895) дал математическое выражение закона электромагнитной индукции.