История развития электротехники

Английский физик Чарльз Уитстон (1802-1875) в связи с работами по усовершенствованию телеграфа искал способы измерения сопротивлений. В результате он создал знаменитый «мостик Уитстона», достоинством которого являлась независимость состояния равновесия от напряжения источника питания. В 1840 г. он показывал свое устройство Б. С. Якоби, а в 1843 г. дал описание своего «мостика». Для изменения сопротивления одного из плечей мостика Ч. Уитстон применил регулируемые резисторы, которые он назвал «реостатами». Позднее, в 1860 г., Вернер Сименс сконструировал магазин сопротивлений.

В 1853 г. Герман Людвиг Гельмгольц ввел в теорию цепей известный ранее в физике принцип суперпозиции, на основе которого были построены важные теоремы электрических цепей, включая теорему об эквивалентном источнике (Гельмгольца - Тевенена). Гельмгольц же впервые получил уравнение переходного процесса в цепи при ее подключении к источнику, рассмотрел постоянные времени электрической цепи.

Выдающийся английский ученый Уильям Томсон (1824-1907), (в 1892 г. за научные заслуги получил титул барона Кельвина) в 1853 г. дал расчет колебательного процесса и установил связь между частотой собственных колебаний, индуктивностью и емкостью.

Д. К. Максвеллом был разработан метод контурных токов, доказана теорема взаимности. Постепенно формировался практически весь арсенал методов расчета (включая эквивалентные преобразования) цепей постоянного тока.

После открытия электромагнитной индукции внимание ученых в значительной степени переключилось с гальванических токов (когда главными объектами исследований были сами гальванические элементы, процессы электролиза) на индукционные токи: наибольший интерес стали вызывать явления электромагнетизма, в изучении которых особая роль принадлежит Э. Х. Ленцу (рис. 2.19) [9, 11, 15].

В докладе Петербургской академии наук 29 ноября 1833 г. Э. Х. Ленц, находясь под большим впечатлением от работ по электромагнитной индукции М. Фарадея, дал свою знаменитую формулировку закона, названного его именем: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что он мог бы обусловить, в случае неподвижности данного проводника, его перемещение в противоположную сторону, причем предполагается, что такое перемещение может происходить только в направлении движения или в направлении, прямо противоположном» (рис. 2.20). Очевидно, что в этой формулировке заключена и идея обратимости электрических машин, развитая позднее Б. С. Якоби.

Э. Х. Ленц был одним из основоположников теории магнитоэлектрических машин. Ему принадлежит открытие и объяснение явления реакции якоря (1847) и установление необходимости сдвигать щетки с геометрической нейтрали; он впервые изучил смещение фазы тока относительно фазы напряжения (1853), изобрел коммутатор для изучения формы кривой индуцированного тока (1857). Им было установлено условие режима максимальной полезной мощности источника энергии, когда внутреннее сопротивление источника равно сопротивлению внешней цепи. Широко известна работа Э. Х. Ленца по тепловому действию тока (1842-1843), которая была выполнена независимо от Джеймса Джоуля (1841) и представляла собой настолько обстоятельное исследование, что известному закону было справедливо присвоено имя обоих ученых.

Диапазон научных интересов Ленца был чрезвычайно широк. Так, один из изобретателей в области медицины столкнулся с трудностями при подключении нескольких больных к параллельным цепям источника тока. Узнав об этом, Ленц в 1844 г. вывел формулу для определения тока в любой из параллельно соединенных ветвей, содержащих источники электродвижущей силы (рис. 2.21).

Электромагнитное действие тока было не единственной сферой «электротехнических» интересов Ленца. Не менее значимы его работы по исследованию теплового действия электрического тока. Еще в 1832-1833 гг. Ленц обратил внимание на то, что при нагревании металлических проводников их проводимость заметно меняется. Это осложняло расчет электрических цепей, но определить количественную зависимость между током и теплотой, выделяемой проводником с током, было невозможно: не было тогда ни точных приборов для измерения, ни источника постоянной ЭДС, ни надежного метода измерения сопротивления. Поэтому Ленц создал свои и усовершенствовал существовавшие измерительные приборы. Он сконструировал прибор- сосуд для измерения количества выделяемого в проволоке тепла (рис. 2.22).

Мастерство Ленца как блестящего экспериментатора проявилось и при проверке справедливости экспериментов французского физика Пельтье, открывшего в 1834 г. новое явление, названное впоследствии «эффектом Пельтье»: если через спай двух разнородных металлов пропустить электрический ток, то в спае происходит либо выделение, либо поглощение тепла в зависимости от направления тока. Ленц подтвердил выводы Пельтье и, пропустив ток через спай висмута и сурьмы, заморозил воду, окружающую спай (рис. 2.23).

В 1867 г. Д. К. Максвелл сделал доклад Лондонскому королевскому обществу «О теории поддержания электрических токов механическим путем без применения постоянных магнитов». Это был чисто теоретический труд, охвативший все известные к тому времени сведения об электрических машинах постоянного тока. Вероятно, затруднения в понимании максвелловского стиля изложения помешали современникам по достоинству оценить эту работу.

Серьезно продвинули теорию электрических машин введенные в 1879 г. английским электротехником Джоном Гопкинсоном (1849-1898) графические представления о зависимостях в электрических машинах, так называемые характеристики машин (характеристика холостого хода, внеш-няя и др.). Им же введено понятие «коэффициент магнитного рассеяния».

В мае 1886 г. в Лондонском королевском обществе Джон и Эдвард Гопкинсоны сделали доклад «Динамоэлектрические машины», в котором содержалась уже вполне законченная, не потерявшая своего значения до нашего времени теория электрических машин постоянного тока.

Открытия в области электричества и магнетизма, сделанные в первой половине XIX в., а также практическое применение этих явлений стали предпосылками важных научных обобщенний, в частности создания электромагнитной теории Д. К. Максвелла. Первые дифференциальные уравнения поля были записаны Д. К. Максвеллом в 1855-1856 гг. В 1864 г. он дал определение электромагнитного поля и заложил основы его теории.

Заслуга Д. К. Максвелла состоит в том, что, использовав накопленный до него громадный экспериментальный материал, он обобщил и развил прогрессивные идеи М. Фарадея, придав им стройную математическую форму. В своем труде «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873) Д. К. Максвелл изложил основы разработанной им теории поля, являющейся краеугольным камнем современного учения об электромагнетизме. Важнейшие результаты своих исследований Д. К. Максвелл сформулировал в виде знаменитых уравнений, получивших его имя. Д. К. Максвелл обобщил закон электромагнитной индукции, распространив его на произвольный контур в любой среде. Он ввел понятия «электрическое смещение» и «токи смещения», установил принцип замкнутости тока. Одним из важнейших выводов Д. К. Максвелла является утверждение о том, что магнитное и электрическое поля тесно связаны и изменение одного из них вызывает появление другого. Исследования показали, что скорость распространения подобных электромагнитных возмущений совпадает со скоростью света. Этот вывод был положен в основу электромагнитной теории света, разработанной Д. К. Максвеллом и являющейся одним из выдающихся теоретических обобщений естествознания.

Д. К. Максвелл не дожил до торжества своих глубоких научных идей и обобщений. Он сам еще не мог во всей полноте представить значение всего того, что содержалось в его «Трактате об электричестве и магнетизме», и того, что из него вытекало. Позднее немецкий физик Генрих Герц (1857-1894) экспериментально доказал существование электромагнитных волн.

Важное значение в развитии представлений о движении энергии имели работы профессора Николая Алексеевича Умова (1846-1915), среди которых особого внимания заслуживает его докторская диссертация «Уравнения движения энергии в телах» (1874). Идеи Н. А. Умова получили дальнейшее развитие, в частности, в трудах английского физика Джона Генри Пойнтинга (1852-1914) применительно к электромагнитному полю (1884).

Изобретение трансформатора

Восьмидесятые годы XIX в. вошли в историю электротехники под названием периода «трансформаторных битв». Такое необычное название они получили потому, что изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов в пользу переменного тока. А настоящая битва шла между сторонниками систем постоянного и переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой централизованного производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния.

Первым простейшим трансформатором с разомкнутым магнитопрово- дом была индукционная катушка. Ее изобретение в 30-40-х гг. XIX в. связано с именами ряда ученых и изобретателей, но наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803-1877), создавший в 1848 г. более совершенную конструкцию, и его именем впоследствии стали называть индукционную катушку. Такие катушки предназначались для получения искрового разряда во вторичной цепи при прерывании постоянного тока в первичной цепи. Впервые катушку Г. Румкорфа применил для дистанционного взрывания мин Б. С. Якоби. В последней трети XIX в. индукционные катушки получили широкое применение в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

На роль индукционной катушки, превратившейся в аппарат, названный позднее трансформатором, как средства электрического разделения цепей переменного тока впервые указал П. Н. Яблочков [5, 9, 17, 22]. Даже самим фактом патентования системы «дробления света» во многих странах он подчеркивал важность нового предложения. Во французском патенте № 115793 от 30 ноября 1876 г. он писал: «Предметом этого изобретения является распределение токов в целях производства электрического света, позволяющее получить, пользуясь цепью, питаемой одним-единственным источником элек-тричества, неопределенное число источников света». И как бы отмеже- вы-ваясь от привычных схем индукционных катушек, он указывает: «Если я применяю электрический источник переменного тока, общее расположение остается неизменным, но прерыватель становится ненужным».

Система «дробления света» Яблочкова широко демонстрировалась на Парижской Международной электротехнической выставке в 1881 г. и на Второй Петербургской электротехнической выставке в 1882 г. (где всю систему смонтировал и экспонировал препаратор Московского университета Иван Филиппович Усагин (1855-1919)). Бобины, как их тогда называли, имели одинаковое число витков в первичной и вторичной обмотках, а стальной сердечник был разомкнутым и представлял собой стержень, на который наматывались обмотки. На этой же выставке И. Ф. Усагин наряду со свечами и другими приемниками впервые демонстрировал схему включения во вторичные обмотки индукционных катушек: электродвигателя, проволочной нагревательной спирали, дуговой лампы с регулятором. Все эти приемники могли ра-ботать одновременно, не мешая друг другу. Этим экспериментом И. Ф. Усагин убедительно доказал универсальность применения переменного тока.

В начале 1880-х гг. становилось все яснее, что система электроснабжения на постоянном токе не имеет перспектив. Из опыта эксплуатации дуговых источников света было установлено оптимальное напряжение 110 В. Радиус электроснабжения не превышал несколько сотен метров. Попытки расширить границы района электроснабжения привели к появлению так называемой трехпроводной системы постоянного тока. Но основным направлением разви-тия электроэнергетики уже в 1880-х гг. становится система переменного тока.

Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым сердечником для распределения электроэнергии явилась система распределения электричества для производства света и так называемой двигательной силы, запатентованная во Франции в 1882 г. английским электротехником Дж. Д. Голяром и французским электротехником Люстеном Гиббсом. Эти трансформаторы предназначались уже не только для «дробления» энергии, но и для преобразования напряжения, т. е. имели коэффициент трансформации, отличный от единицы. Общий вид «вторичного генератора» (как его называли) изображен на рис. 3.9. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек 1, первичные обмотки которых соединялись последовательно. Вторичные обмотки катушек были секционированы, и каждая секция имела два вывода для подключения приемников. Заслуживают внимания выдвижные сердечники 2 катушек, с помощью которых регулировалось напряжение на вторичных обмотках. Трансформаторы с разомкнутым сердечником в 1883 г. устанавливаются на подстанциях Лондонского метрополитена, а в 1884 г. - на выставке в Турине (Италия).

Современные трансформаторы имеют замкнутый магнитный сердечник, их первичные обмотки включаются параллельно. Но для схемы «дробления» энергии, предложенной П. Н. Яблочковым, трансформаторы с разомкнутым сердечником вполне удовлетворяли техническим требованиям. При последовательном соединении первичных обмоток включение и выключение одних потребителей не оказывало существенного влияния на режим работы других. При параллельном включении приемников применение трансформаторов с разомкнутыми сердечниками становилось технически неоправданным. Поэтому понятно стремление сконструировать трансформаторы с замкнутой магнитной системой, которые обладают значительно лучшими характеристиками (меньший намагничивающий ток, а следовательно, меньшие потери и больший КПД).

Первые трансформаторы с замкнутым сердечником были созданы в Англии в 1884 г. братьями Джоном и Эдвардом Гопкинсонами. Сердечник этого трансформатора был набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи.

На сердечнике помещались, чередуясь, катушки высшего и низшего напряжений.

Впервые предложение о параллельном включении обмоток трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 г., но всесторонне этот способ соединения обосновал венгерский электротехник Миклош Дери (1854-1934), который в 1885 г. получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов и показал преимущество такого включения. Независимо от него аналогичный патент в Англии получил С. Ц. Ферранти.

Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой, имевшего достаточно хорошие эксплуатационные показатели. Такой трансформатор в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) разработали в 1884-1885 гг. венгерские электротехники Миклош Дери, Отто Блати и Карой Циперновский, предложившие и сам термин «трансформатор». В патентной заявке (февраль 1885 г.) они отмечали важное значение замкнутого шихтованного сердечника, в особенности для мощных силовых трансформаторов. На рис. 3.10 изображены первые образцы кольцевого и броневого трансформаторов, а также общий вид серийного трансформатора системы Блати, Дери и Циперновского, выпускавшегося электромашиностроительным заводом фирмы «Ганц и К°» в Будапеште. Эти трансформаторы содержали все основные элементы современных конструкций однофазных трансформаторов.

Венгерские инженеры нашли оптимальные соотношения между расходом меди и стали в трансформаторах и обеспечили своей продукции широкий сбыт на мировом электротехническом рынке. В частности, эта фирма осуществила в 1887 г. одну из первых в России установок переменного тока для освещения оперного театра в Одессе.