|
Наука в кожен даний момент часу є результат - сукупність знань про природу, суспільство, мислення, накопичених в ході суспільно-історичного життя людей.
Мета науки - розкривати об'єктивні закони явищ, давати їм пояснення.
Завдання науки - за випадковим, хаотичним знайти і дослідити об'єктивні закони, приховані від поверхневого погляду, і озброїти знанням цих законів людей для їх практичної діяльності.
В історії людства спостерігаються чотири стадії пізнання природи. Перша стадія починається з найдавніших часів (Архімед, Фалес і ін.) І закінчується приблизно XV в. У ній формується синкретичне, тобто недеталізірованние уявлення про навколишній світ; але вже в XIII-XIV століттях зароджуються ідеї і припущення, що стали початком становлення природних наук.
Друга стадія - XV-XVI ст - називається аналітичної, оскільки в цей період мислення починає орієнтуватися на розчленовування понять і виділення окремих деталей, що призвело до виникнення і розвитку наук: астрономії, фізики, хімії, біології, та інших.
Третя стадія - XVII-XX В.В .; її називають синтетичної. У цей час відбувається поступове відтворення цілісної картини природи на основі раніше накопиченого досвіду.
Четверта стадія - кінець XX ст., Початок XXI ст. Тут починає формуватися інтегрально-диференціальний підхід до пізнання природи, тобто розглядається єдина наука про природу. Всесвіт, Життя, Розум - трактуються як єдиний, але дуже багатогранний об'єкт природознавства.
Прогноз подальшого - провідна роль в подальшому пізнанні природи належить синтезу знань, інтеграції наук, в центрі яких буде знаходитися людина.
Наука - багатоаспектний, багатогранний і складно влаштований феномен. Наука - це і експериментальні засоби, необхідні для вивчення явищ - в їх число входять прилади й установки, за допомогою яких ці явища фіксуються і відтворюються; це і методи, за допомогою яких виділяються і пізнаються предмети дослідження; це і люди, зайняті науковими дослідженнями; це і системи знань, зафіксовані за допомогою текстів і т. п.
Загальною основою перерахованих явищ служить технологія людської діяльності з виробництва знань, тобто наука - це певна людська діяльність, яка спрямована на отримання знань.
Розвиток науки і техніки завжди відбувається в конкретних історичних і культурних умовах, що визначаються насамперед продуктивними силами суспільства, способом виробництва. Досягнення науки і технічний прогрес одночасно з цим сприяють еволюції суспільства, генеруючи і визначаючи рівень продуктивних сил.
Спочатку наука багато чого взяла у майстрів - інженерів епохи Відродження, потім, в XIX-XX ст інженерна діяльність стала будуватися вже відповідно до науки. Спеціалізація і професіоналізація науки і техніки привели до технізації науки і гуманізації техніки.
Вся історія людства показує, що наука розвивається під впливом практичних потреб і, в першу чергу, потреб виробництва. Однак потреби виробництва не визначають всієї складної динаміки формування знань, створення нових ідей, теорій, висновків. Тут діють свої власні закони. Наприклад, історія розвитку природничих наук дає багато прикладів наукових відкриттів, які породжувалися безпосередньо запитами життя:
• відкриття електрики,
• дифракції,
• магнетизму,
• поляризації,
• періодичної системи елементів і багато іншого.
Наукові фантасти, художники, письменники іноді здатні вторгнутися в невідоме майбутнє і розгледіти контури прийдешніх століть. Наведемо цього кілька прикладів.
Англієць Роджер Бекон в XIII в. (Приблизно 1240-і рр.) Займався мовами, математикою, астрономією, фізикою, хімією і зробив численні важливі відкриття. Він писав про колісницях, що рухаються з неймовірною швидкістю без допомоги тварин, про літаючих машинах, про властивості увігнутих і опуклих стекол для очей (окуляри), створив теорію телескопа і багато іншого. Один з найвидатніших умів людства!
У XVI столітті (1560-і рр.) Френсіс Бекон (однофамілець Роджера) - створив одне з блискучих творінь людського розуму - твір «Нова Атлантида», в якому він виклав проект державної організації науки, описав основи логіки поновлення науки, вказав на можливість корисного застосування можна побачити у природі явищ, передбачив створення підводних човнів, літаків, кіно, радіо, телебачення, біоніки, термоядерного реактора і багато іншого.
У романі російського фантаста Н. Шелонской «У світі майбутнього» (1892 г.) йдеться про перетвореннях елементів, про синтетичних матеріалах, про передачу думок на відстані, про антигравітації і багато іншого.
А. Толстой у творі «Гіперболоїд інженера Гаріна» докладно описав проект лазера.
Розповідь І. Єфремова «Тіні минулого» (1945 г.) наштовхнув вченого Ю. Денисюка на відкриття об'ємної голографії.
З 86 передбачень письменника-фантаста Г. Уеллса збулося більше 30-ти, а у фантастів Жюля Верна і А. Бєляєва збулося 90% прогнозів.
Далі розглянемо деякі закони розвитку науки. Перший закон. Він називається законом відносної самостійності розвитку науки.
Така відносна самостійність включає в себе внутрішню логіку розвитку, потреба в систематизації знань, боротьбу думок, взаємний вплив наук, взаємодія з різними формами суспільної свідомості, спадкоємність ідей і т. П. - тобто всі ті чинники, від яких, якщо не брати до уваги потреби виробництва (або побутові), залежить розвиток науки.
Другий закон. Наступний закон відображає такі явища, як критика і боротьба думок в науці. Тобто розвиток науки відбувається на основі боротьби нових і старих ідей. Без урахування емоційних дискусій нового знання зі старим, без правильного розуміння традицій в науці неможливо зрозуміти прогрес науки в цілому. Історія науки є історія зміни різних теорій і їх боротьби. Неповнота, недосконалість знань неминуче призводить до того, що один і той же ряд можна побачити фактів отримує різне пояснення у різних вчених, вони бачать ці факти як би з різних ракурсів. Це залежить від відмінності поглядів, складу мислення, обдарування і т. П. Однак з плином часу наука неминуче приходить до єдиного погляду на них.
Третій закон. Цей закон виражає взаємодію наук і має зараз особливо важливе значення для розуміння процесів, що відбуваються науково-технічного прогресу. Наука являє собою єдине ціле. Існуюче розділення науки на окремі галузі зумовлено відмінностями природи речей і закономірностей, яким ці речі підкоряються в процесі руху і розвитку. Різні галузі науки розвиваються, взаємодіючи один з одним різними шляхами:
• через використання знань, отриманих іншими науками;
• за допомогою використання методів вивчення інших наук;
• через техніку і виробництво;
• через вивчення загальних властивостей різних видів матерії.
Четвертий закон характеризує процес математизації практично всіх наукових дисциплін. Математика проникає зараз навіть в такі області знання як історія, лінгвістика, біологія та ін. За допомогою ЕОМ розшифровуються стародавні рукописи Майя і т. П. У багатьох розділах фізики, астрономії - математика є незамінним апаратом.
П'ятий закон відноситься до диференціації і інтеграції наук, які незмінно присутні в розвитку сучасного природознавства. Процес диференціації - переродження різних гілок науки в самостійні наукові дисципліни. Разом з тим цей процес пов'язаний з процесом інтеграції, що зв'язує різні галузі природознавства, так як спостерігається бурхливий розвиток прикордонних наук: генна інженерія, молекулярна геологія, біогеохімія, інженерна психологія та ін.
Шостий закон - спадкоємність в науці. Наука являє собою продукт діяльності багатьох поколінь. Її об'єктивний зміст не ліквідується разом з ліквідацією суспільного ладу, а розвивається і накопичується протягом всієї історії людства. Використання і розвиток знань, накопичених попередніми поколіннями, тобто спадкоємність, являє собою об'єктивний закон розвитку науки. Без нього просто неможливо ніяке розвиток!
Сьомий закон, відкритий Ф. Енгельсом, - прискорений розвиток науки - діє і зараз. Досягнення XIX століття в багато разів перевершують досягнення XVIII століття, а досягнення XX століття (навіть другий його половини) перевершують досягнення попередніх часів.
Восьмий закон свідчить про неминучість наукових революцій. Аналіз історії розвитку природознавства показує, що воно розвивалося дуже нерівномірно. Періоди відносної стабільності, поступового накопичення знань неминуче з плином часу змінювалися більш короткочасними періодами революцій, коли відбувається корінна ломка теоретичних уявлень, які вважалися раніше непорушними.
Дев'ятий закон описує посилення зв'язку науки з виробництвом, що в підсумку призвело до розуміння науки як одного з найважливіших елементів продуктивних сил. В результаті виникла техногенна цивілізація, на зміну якій йде антропогенне цивілізація або постіндустріальне суспільство.
Наука є створення життя. З навколишнього життя наукова думка людини бере приводиться в формі наукової істини матеріал. Наука є прояв дії в людському суспільстві сукупної людської думки.
Енергія, енергетика, електроенергетика
Матеріальна життя людства пов'язана з двома основними засадами - речовиною і енергією. Тому все технічне творчеcтво людини на всіх етапах розвитку суспільства зводилося, по суті, до видозмін і перетворенням як речовини, так і енергії.
Енергія (гр. Energeia - діяльність) - здатність тіл (істот) здійснювати роботу. Ця дія, загальна кількісна міра різних форм руху матерії. Енергія пов'язує воєдино всі явища природи.
Енергетика, енергетична наука - це наука про закономірності процесів і явищ, прямо або побічно пов'язаних з отриманням, перетворенням, передачею, розподілом і використанням різних видів енергії.
Електроенергетика в цілому розглядається як складне технічна освіта, тісно взаємодіє з паливним господарством і основними галузями видобувної та переробної промисловості, транспортом, сільським господарством і т. П.
Електрична енергія є вторинною енергією і не замінює первинну, наприклад, теплову, гідравлічну, вітрову, термоядерну, сонячну, приливну, ядерну, але в той же час стимулює їх розвиток.
Електроенергетика - це провідна галузь енергетики. Застосування електрики, використання електричної енергії - одне з найбільших відкриттів і досягнень XIX століття. Цьому передували зусилля багатьох і багатьох людей. Зараз електрична енергія є найзручнішим видом енергії.
Енергетичною системою електроенергетики називають сукупність електричних станцій, електричних і теплових мереж, з'єднаних між собою і пов'язаних спільністю режиму в непре
ривном процесі виробництва, перетворення і розподілу електричної енергії і теплоти при загальному управлінні цим режимом.
Енергетика є визначальним фактором і для економіки, і для екології. Від неї залежить економічний потенціал держави та добробут людей. Вона ж надає найбільш сильний вплив на навколишнє середовище, екосистеми і біосферу в цілому.
Наша планета наповнена енергіями, які взаємодіють з нею, з людиною на її поверхні, з Космосом. Все - енергія! Дух - енергія, матерія - енергія, дрібний атом - енергія.
Історія відкриття електрики
Кожне покоління застає техніку на тому рівні, до якого вона була доведена в попередній період, доповнює її своїми відкриттями, винаходами, пристроями, а потім передає наступному поколінню.
Застосування електрики і використання електроенергії було великим відкриттям XIX століття.Слід зауважити, що електрична енергія є вторинною енергією і не замінює первинну (теплову, гідравлічну, водяну і ін.), Але стимулює розвиток первинної енергії, а для її передачі і розподілу - найзручнішою визнана саме електрична енергія. Електрика є дуже концентрованою енергією:
1 кВт.год = 1000 Дж / с? 3600 с = 3600000 Дж;
1 кВт.год = 102 кг.м / с? 3600 с = 367000 кг.м - це еквівалентно
підняття 367 т вантажу на висоту 1 метр.
Розвиток електроенергетики носить інтернаціональний характер. У цьому ми переконуємося протягом всієї історії її розвитку. У створенні енергетики та її впровадженні брали і беруть посильну участь люди різних національностей, різних країн, різних класів.
Наприклад, перші відкриття, наукові та практичні розробки, закони в електроенергетиці були внеском італійців, англійців, росіян, французів, американців, угорців, бельгійців, югославів, датчан і ін. В цьому можна переконатися, розглядаючи історію розвитку електроенергетики.
Широке і різноманітне застосування електричної енергії в усіх галузях народного господарства і побуту пояснюється рядом вельми істотних переваг її в порівнянні з іншими формами енергії, а саме: 1) можливістю економічної передачі на значні відстані; 2) простотою перетворення в інші форми енергії (теплову, механічну, світлову, хімічну та ін.); 3) простотою розподілу будь-якої потужності (від багатьох кіловат до мікроват) між будь-яким числом споживачів.
Велике значення має можливість використання для виробництва електроенергії місцевих видів палива (вугілля, торфу, сланцю), енергії річок, водоспадів, припливів, сонячної енергії та енергії вітру, геотермальної, атомної та ін.
Однак, і раніше, і в даний час існують численні проблеми електроенергетики:
створення економічних конструктивних джерел електрики - генераторів, електродвигунів, трансформаторів, фабрик електрики (електростанцій), електричних ліній передач (ЛЕП), підстанцій, розподільчих пристроїв;
прокладка провідників, кабелів, їх захист;
ізоляція струмоведучих проводів, частин пристроїв;
методи розрахунку електромереж, їх захист від коротких замикань;
інші питання, які вирішувалися і вирішуються вченими, інженерами, практиками, винахідниками.
Історія відкриттів в електроенергетиці
Відкриття та застосування електрики було одним з найбільших досягнень людства. Цьому передували зусилля багатьох і багатьох людей різних професій в різні епохи. Спробуємо перерахувати в історичній послідовності деякі найбільш
відомі відкриття, винаходи, приклади застосування електрики і згадати їх творців.
В античній Греції на стику VII-VI ст. до н.е. купець, філософ і вчений Фалес натирав хутряної шкіркою шматок скам'янілої смоли - бурштин, який після цього отримував здатність
притягувати до себе різні легкі предмети: перо птиці, сухі листочки і т.п.
Через багато століть елементарну заряджену частинку (несучу одиничний електричний заряд) стали називати електрон (по-грецьки - янтар).
У V ст. до н.е. поблизу стародавнього міста Магнезія (територія сучасної Туреччини) знаходили дивовижні дороговказні довгасті камені. Вони, підвішені на довгих нитках, завжди вказували один напрямок. Це були шматки магнітної руди, яка згодом отримала свою назву на честь міста, де була знайдена.
Перші відомості про застосування електрики для металізації судин відносяться до III в. до н.е. (Застосування в ремеслі). Використовувалися електроди з міді і заліза, а електролітом було вино.
Електрорушійна сила такого хімічного джерела електрики досягала ~ 0,8 В.
Потім ці відкриття були частково або повністю втрачені (або забуті), людство винаходило і відкривало їх знову.
Основоположником науки про магнетизм є англієць У. Гільберт (540-1603), (рис. 17). В 1600 р вийшла праця У. Гільберта "Про магніті, магнітних тілах і великому магніті - Землі", в якому він описує різні полюси у магніту (північний і південний), поведінка однакових і різнойменних полюсів, способи намагнічування железа.Он перший вказав на наявність магнітного поля Землі, присвятивши цьому відкриттю 18 років життя і поставивши близько 600 дослідів, створив первои електровимірювальне пристрій - електроскоп і назвав електричними тіла, здатні електризуватися.
Першим джерелом електроенергії вже нашої ери став електростатичний генератор (трибоелектричних), винайдений 1663 р мером Магдебурга Отто фон Геріке (рис. 18).
Він виготовив кулю з сірки, який обертали вручну (тертям поверхні руками). В результаті на кулі накопичувався електричний заряд. Потужність кулі була менш 1 Вт. Здавалося б дрібниця, проте з його допомогою були відкриті багато важливих явища і властивості електрики. У 1675 р І. Ньютон описав електризацію тел.
Може виникнути враження, що XVII століття небагато вніс в розвиток науки про електрику, але саме тоді був закладений її фундамент і дано потужний імпульс до різноманітних дослідженням електричних явищ наступних століть.
Ф. Гауксбі в 1705 році створив електричний генератор, використовуючи замість сірчаного кулі скляний. У 1743 р в таку машину був введений ковзний контакт, який знімав заряд, і машина змогла при обертанні безперервно віддавати електричну енергію.
С. Грей в 1729 р зауважив, що одні речовини проводять електрику, а інші не проводять.
Ш. Дюфе на початку XVIII в. відкрив електричну взаємодію заряджених тіл - тяжіння різнойменних і відштовхування однойменних тел.
В середині XVIII ст. в Лейдені була створена «лейденська банку» - прообраз електричного конденсатора. Відкриття цього конденсатора належить викладачеві фізики голландцеві Мушенбрук і німецькому священику фон Клейста. Заряжалась "лейденська банку" за допомогою сірчаного кулі фон Геріке.
"Лейденська банку" представляла собою скляну банку із залишками ртуті на внутрішній поверхні. Через пробку в неї вставлявся цвях, а зовні банку обгортають металічною фольгою. Гвоздь і фольга служили електродами, а скло (діелектрик) накопичувало заряд від сірчаного кулі Геріке.
Досвід із зарядженою "лейденської банкою" демонструвався в присутності великого скупчення народу на площі під Франціі.180 гвардійців короля ставали в коло, взявшись за руки. Один з гвардійців торкався до фользі "лейденськоїбанки", а останній в ланцюзі торкався до металевого стрижня. По всьому ланцюгу гвардійців миттєво протікав струм і всі люди отримували електричний удар, який тут же викликав реакцію людей - зойки, стрибки, помахи рук і т.п. Вчені реєстрували вплив електрики на людину, провідність людського тіла, а також електричний удар.
Намагаючись зарядити "лейденську банку" від небесного електрики (блискавки), в 1753 році загинув товариш М.В.Ломоносова Г.В.Ріхман.
Михайло Васильович Ломоносов, родоначальник вітчизняної науки, у 1753 р поставив завдання перед вченими: "... знайти справжню електричної сили причину і скласти її точну теорію".
М.В. Ломоносов багато займався "небесним електрикою", описував електричні явища і спосіб отримання електрики штучним шляхом - праця "Про електричній силі ...".
Зі своїм другом Г. В. Ріхманом вони виконали безліч спостережень і дослідів з небесним електрикою - блискавкою, північним сяйвом. Ломоносов висловив дуже важливу думку про можливість передачі електрики на великі відстані і про практичне використання електрики для металізації поверхні металів (1747 г.); тільки через 100 років Б.С. Якобі відкриває і застосовує гальванопластику.
Георг Вільгельм Рихман (1711 - 1753) створив в Петербурзі лабораторію по дослідженню електричних явищ, виготовив цілий ряд приладів.
Паралельно з М.В. Ломоносовим проводив досліди з «небесним електрикою» в Америці Б. Франклін вчений, поет, дипломат, який вніс великий внесок у вивчення електричних явищ і в 1752 р винайшов громовідвід (вірніше б його назвати блискавковідвід).
Блискавковідвід від кульових блискавок був винайдений російським інженером Б. Ігнатовим в XX в.
У 1759 р академік Російської Академії Ф. Епінус (одна тисяча сімсот двадцять чотири -1802) відкрив і пояснив електричну поляризацію, існування силових магнітних ліній, взаємодію електричних і магнітних мас.
З перерахованого вище мимоволі напрошується життєво важливий висновок (над яким ми рідко замислюємося): перші і дуже важливі відкриття в будь-якій області знань нерідко скоюють
фахівці інших розділів науки або діяльності.
Підтвердимо це висловлювання ще деякими прикладами.
Італієць Луїджі Гальвані (1737-1798) (рис. 20), завідувач кафедри анатомії, в 1791 р опублікував працю "Трактат про сили електрики при м'язовому русі".
Він відкрив існування електричних струмів всередині живих істот, препаруючи залізним скальпелем лежить на мідному блюді жабу (різні метали!).
Це відкриття через 121 рік дало поштовх дослідженням людського організму за допомогою біоелектричних струмів. Виявлялися хворі органи при дослідженні їх електричних сигналів. Робота будь-якого органу (серця, мозку) супроводжується біологічними електричними
сигналами, що мають для кожного органу свою форму. Якщо орган захворює, сигнали змінюють свою форму, і при порівнянні «здорових» і «хворих» сигналів виявляються причини заболеванія.Опити Гальвані наштовхнули на винахід нового джерела електрики професора Тессінский університету Алессандро Вольта (1745-1827) (рис. 21).
У 1800 р А. Вольта оголосив Лондонському Королівському суспільству про винахід вольтова стовпа. Своє джерело електрики він назвав на честь Гальвані гальванічним елементом. Це був джерело електрики більш потужний, ніж генератор Геріке. Це джерело складався з великої кількості малих елементів, кожен з яких містив дві пластинки з пари різних металів: мідь - свинець або срібло - цинк, між кото перебувала пориста, просочена кислотою (або лугом), прокладка.
Набираючи отже велика кількість таких елементів, Вольта отримував електрохімічний джерело електрики напругою до 2 кВ. Цього було вже досить для дослідження електрики, отримання електричної дуги, електродугової свічки, зварювання металів і т.п. А. Вольта в цей час було 56 років. Наполеон за це відкриття вручив йому в 1801 р Велику Золоту медаль. Батарейки, якими ми зараз користуємося в годинах, приймачах і ін. - це ті ж, але вдосконалені, вольтова стовпчики - гальванічні елементи.
У 1821 р був винайдений ще одне джерело електрики - термоелемент. Професор Т.І. Зеєбек (1770-1831) виявив, що, якщо один спай двох різнорідних металів A і B (наприклад, мідь-константан) нагріти (Tг), а другий спай охолодити (TХ), або просто не нагрівати, то виникає термоелектрорушійна сила.
kn
UAB = ln A (T г? T х),
qnB
де k - постійна Больцмана, q - заряд електрона, n - щільність електронів.
Ж. Пельтьє (1785-1845) відкрив протилежне явище в 1834 році. Якщо до одного з спаїв двох різнорідних провідників прикласти постійну електричну напругу, то один із спаїв буде нагріватися, а інший охолоджуватися.
QП = ПІ? ,
де QП - теплота Пельтьє, П - коефіцієнт пари металів, I-ток,? - час.
З винаходом кожного нового джерела електрики учениес інтересом виявляли, що таємниче електрику виникає під дією абсолютно різнорідних сил, наприклад, тепла, хімічних реакцій, механічного тертя, світла і т.п. Лише проникнення в структуру речовини, в атомну і молекулярну природу матерії дозволило пізніше зрозуміти, що об'єднує ці настільки різні зовнішні явища.
Початковий період використання електрики.
Гальванопластика, освітлення і електротермія
Гальванопластика. Одним з перших практичних застосувань електрики була металлизация - осадження тонкого шару металу на поверхню виробу за допомогою електричного струму.
Цю ідею висловив в середині XVIII століття М.В. Ломоносов, а застосував практично через 100 років, в 1847 р, Б.С. Якобі (1801-1874). З тих пір гальванопластика стала широко впроваджуватися в промисловість. Б.С.Якобі, талановитий інженер і вчений, фізик, електротехнік, винайшов і створив електричний двигун з обертовим рухом, створив гальванотехніка, кілька типів електромагнітних телеграфів, застосував електрику в мінному справі та ін.
Електричне освітлення - перше масове енергетичне застосування електричної енергії - зіграло виключно важливу роль в становленні електроенергетики і перетворенні електротехніки в самостійну галузь техніки. Електричне освітлення стало однією з перших областей застосування електрики після гальванопластики.
Біля витоків освітлення за допомогою електрики стояв Василь Володимирович Петров (1761-1834), професор медично-хірургічній Академії в Петербурзі. Він був наступником і продовжувачем праць М.В. Ломоносова.
Досліджуючи світлові явища, викликані електричним струмом, В.В.Петров зробив своє знамените відкриття - електричну дугу, що супроводжується появою яскравого світіння і високої температури. Це сталося в 1802 р і мало величезне історичне значення. Спостереження і аналіз Петровим властивостей електричної дуги лягли в основу створення електродугових ламп, ламп розжарювання, електрозварювання металів і багато чого іншого.
У 1803 р В.В. Петров першим у світі показав можливість застосування електроструму (електродуги) в металургії. Петров досліджував електропровідність різних рідких і твердих тіл, висловив думку про можливість розкладання води електричним струмом, відкрив реакцію окислення і відновлення металів, відкрив принцип акумулювання електрики.
У 1875 р Павло Миколайович Яблочков (1847-1894) (рис. 31), створює електричну свічку, що складається з двох вугільних стрижнів, розташованих вертикально і паралельно один одному, між якими прокладена ізоляція з каоліну (глини). Щоб горіння (світіння) було більш тривалим, на одному свічнику містилося чотири свічки, які горіли послідовно (у часі).
У 1876 р свічка П.М. Яблочкова отримала визнання за кордоном; він стає мільйонером. Вулиці Парижа, театри Лондона стали висвітлюватися «російським світом». Тільки після цього свічки Яблочкова стали впроваджуватися в Росії.
Олександр Миколайович Лодигін (1847-1923) (рис. 32), в 1872 році запропонував замість вугільних електродів в свічці Яблочкова використовувати нитка розжарення (спочатку вугілля ву, а потім з тугоплавкого металу), яка при протіканні електричного струму яскравіла. Це було безпечне для людей, яскраве і дешеве освітлення за допомогою електрики.
А.Н. Лодигін писав, що електричне світло повинен бути єдиним штучним світлом як за своєю силою і рівності, так і з безпеки і дешевизні.
Список винаходів А.Н. Лодигіна дуже великий. У нього входять електричні індукційні печі і печі опору, зварювальні апарати, акумулятори, електричні прилади, вилучення з руд талюмінія і інших металів, електровертолет, скафандр і багато, багато іншого.
Дмитро Олександрович Лачинов (1842-1902) винайшов багато різних приладів: регулятор напруги, оптичний динамо-метр, спосіб відцентрової виливки рефлекторів. У 1880 р Д.А. Лачинов написав книгу "Електромеханічна робота", яка містила дослідження роботи електричних машин; в ній було наведено математичний доказ, що на великі відстані може передаватися будь-яку кількість електроенергії шляхом збільшення електричної напруги.
Питання передачі електричної енергії по проводах на великі відстані поставив вперше в 1760 році М.В. Ломоносов; Д.А. Лачинов і М. Депре провели теоретичні розробки електропередачі; Ф.А. Піроцький і Фонтен вперше здійснили передачу за допомогою ізольованих проводів і використовуючи звичайні колії.
Томас Едісон (1847-1931) (рис. 33), талановитий американський інженер-електротехнік, винахідник, який свої ідеї та ідеї інших швидко запроваджував у життя. Їм була вдосконалена лампа розжарювання Лодигіна (відкачав з балона лампочки повітря, придумав цоколь з гвинтовою нарізкою і т. П.); заводи Едісона стали випускати лампи розжарювання мільйонами штук в усьому світі.
Олександр Ілліч Шпаковський (1823-1881) створює в 70-х роках XIX ст. дугову лампу з електромагнітним і механічним регулюванням, а в 1864 році створює перший автоматичний регулятор тиску пара прямої дії.
Володимир Миколайович Чиколев (1845-1898) (рис. 34), створює регулятор для стабілізації горіння електричної дуги. Він же застосував систему дроблення світла дуги, подрібнивши світло дугової лампи в 3000 свічок на 60 джерел світла за допомогою системи лінз, дзеркал і трубок з відбивають внутрішніми стінками - световодами. За допомогою такого пристрою був висвітлений Охтінській пороховий завод. В.Н.Чіколев удосконалив прожектори, застосувавши кільцеподібні скла і дзеркала. Він є основоположіком вітчизняної світлотехніки, застосування фотографії для визначення швидкості польоту снарядів і багато чого іншого. Брав активну участь у створенні перших електростанцій.
Микола Миколайович Бенардос (1842-1905) застосував електричну дугу для зварювання металевих листів, різання металів, отворів. Розробив технології зварювання в середовищі захисних газів і точкового зварювання.
Микола Гаврилович Славянов (1854-1897) (рис. 35), створив конструкції електричних машин і апаратів, динамо-машин і регуляторів електричної дуги. Використовував електрод і як засіб для створення електричної дуги, і як носій металу для створення шва при зварюванні листів або деталей. Він же застосував електропідігрів металевих виливків для рівномірного охолодження по всьому об'єму.
Н. Н. Бенардос і Н.Г.Славянов використовували відкриття В.В. Петрова по плавлення і зварювання металів в електричній дузі. Один з перших російських професорів електротехніки Михайло Андрійович Шателен писав: «Перша половина XIX ст. була особливо багата результатами вивчення електричного струму: була відкрита електрична дуга (В.В. Петров), були відкриті термоелектричні явища (Т. Зеєбека, Ж. Пельтьє); знайдений закон теплових дій струму (закон Джоуля-Ленца), були визначені закони хімічного дії струму (закони М. Фарадея), були встановлені закони Г.Ома і Г. Кірхгофа, внісши велику ясність в розуміння явищ струму; були виявлені властивості струму намагнічувати залізо і діяти на магніти; були знайдені закони взаємодії струмів між собою і струму з магнітами; були відкриті закони електромагнітної індукції ».
З відкриттям вольтова стовпа ток стали застосовувати для різних практичних цілей: для освітлення, для нагріву, для розкладання складних хімічних речовин, для металевих покриттів і отримання металевих відбитків (гальванопластика академіка Б.С. Якобі), для цілей зв'язку (П.Л. Шиллінг , Б.С. Якобі), для двигунів (Е.Х. Ленц, Б.С. Якобі) і ін.
Згодом вольтов з'явилися інші джерела електрики: гальванічні, термоелементи, динамо-машини, електрогенератори.
Крім постійного струму з'явився однофазний змінний струм, получавшийся від електромагнітних генераторів, а пізніше - і трьох-фазний струм (М.О. Доліво-Добровольський).
У міру розвитку електроенергетики, впровадження її в промисловість, транспорт, побут виникла потреба накопичення електроенергії. В.В. Петров на початку XIX ст. створює передумови для створення акумуляторів, проводить експерименти.
Г. Планте створює свинцевий акумулятор в 1859 р К. Фор конструює свинцево-кислотний акумулятор в 1880 р А.Н. Лодигін розробляє теорію акумулювання електрики для проектованого електровертолета.
У 1886 р М. Депре створює буферну акумуляторну батарею.
У 1984 р було створено сірчано-натрієві акумулятори, набагато перевищують за техніко-економічними показниками свінцовокіслотние.
Наведемо деякі числові дані для матеріалів, здатних акумулювати електричну енергію, з розрахунку на 1 кг ваги:
Pb 16 Вт · год на 1 кг ваги
Повітряно - Zn160 Вт · год ---- «----
Li - Ni 200 Вт · год ---- «----
S - Na300 Вт · год ---- «----
Li - Cl 500 Вт · год ---- «----
бензиновий
двигун Потужність 2400 Вт · год ---- «----.
Акумулювання електричної енергії необхідно для роботи автономного транспорту - електромобілів, електровертолетов, підводних човнів; для накопичення енергії в періоди її низького споживання та видачі її під час пікових навантажень і в інших випадках.
Щоб навчити силу електричного струму стати творити чудеса, потрібні були генератори і електродвигуни. Над цим думали багато винахідників, в тому числі і російські.
Електродвигуни,_електрогенератори,_трансформатори'>Електродвигуни, електрогенератори, трансформатори
Відкриття і дослідження Д. Араго, Г. Ерстед, А. Ампера, Г. Ома, М. Фарадея та інших винахідників і вчених послужили поштовхом для винахідницької фантазії інженерів, які стали називатися електриками. Найважливішим етапом у розвитку електроенергетики з'явився винахід і застосування електричних машин.
У техніці основними пристроями, що використовують явище електромагнітної індукції, є генератори електричного струму, електродвигуни та трансформатори. Розглянемо їх основне сучасний пристрій і призначення, щоб потім простежити історичні віхи розробки цих пристроїв і вказати їх авторів.
Генератор. Складається з статора і ротора. Масивний нерухомий статор являє собою порожнистий сталевий циліндр, на внутрішні стінки якого укладено велике число витків метал-вої дроту, покритого ізоляцією і ведучого електрику в зовнішнє електричне коло до споживача.
Ротор являє собою циліндр з пазами для проводів, що є великим рухомим електромагнітом, встановленим всередині статора.
Під дією парової турбіни, гідротурбіни, парової машини або іншого двигуна ротор починає обертатися, а в проводах статора, завдяки електромагнітної індукції, виникає електричний струм.
Електродвигун. У електродвигунах відбувається інше явище: електричний струм, протікаючи через дроти статора, змушує ротор обертатися. За допомогою механічних пристроїв рух ротора можна передати стрічці трансмісії, верстата, ескалатору
метро та іншим механізмам.
Трансформатор. Складається з магнітного сердечника і двох або більше котушок, які мають різну кількість витків. Якщо підвести змінний електричний струм до котушки з великим числом витків - струм більшої напруги, то з боку котушки з меншим числом витків можна зняти більший струм, але меншої напруги.
Створення електричних генераторів, електродвигунів, трансформаторів вимагало вивчення властивостей матеріалів: неметалевих, металевих і магнітних, створення їх теорії.
Першими в цьому напрямку були роботи професора Московського Університету Олександра Григоровича Столєтова (1839-1896). У 80-х рр. їм була виявлена петля гистерезиса і доменна структура у феромагнітних матеріалів.
Брати Гопкинсон розробили теорію електромагнітних ланцюгів. У 1895 р П'єр Кюрі виявив існування у феромагнетиків критичної температури, вище якої відбувається зникнення доменної структури і втрата феромагнетизму - точки Кюрі.
Застосування електрики для зв'язку, освітлення, рухової сили потребувало створення приладів, Системи одиниць вимірювання.
До 80-их рр. з'явилися гальванометри, амперметри, вольтметри, магазини опору, а початок створенню приладів поклали М.В. Ломоносов, Г.В. Рихман, Б. Франклін ще в XVIII в.
У 1881 рв Парижі зібрався перший Міжнародний конгрес електриків. Було прийнято постанову про розробку єдиної системи одиниць. До групи розробників входили: Г. Гельмгольц, Г. Кірхгоф, У. Томсон, Р. Клаузіус, А.Г. Столетов і ін.
Електродвигуни
Історія створення двигунів сягає глибокої давнини. Складними шляхами йшла людина до відкриття і пізнання законів фізики, створення різних механізмів, машин.
Вперше двигун назвав машиною римський архітектор Марк поліонние (1 ст. До н. Е.).
Найважливішим етапом у розвитку електроенергетики з'явився винахід і застосування електродвигунів. Принцип дії електродвигунів заснований на фізичному явищі: виток провідника, по якому протікає електричний струм, будучи поміщеним між магнітами, рухається поперек силових ліній магнітного поля. Електродвигун, як правило, компактніші інших двигунів, завжди готовий до роботи, може управлятися на відстані.
Історія електродвигуна - складна і довга ланцюг відкриттів, знахідок, винаходів. Простежимо етапи розвитку електродвигунів.
I етап. Початковий період розвитку електродвигуна (1821-1834гг.). Він тісно пов'язаний зі створенням фізичних приладів для демонстрації безперервного перетворення електричної енергії в механічну.
У 1821 р М. Фарадей, досліджуючи взаємодію провідників зі струмом і магнітом, показав, що електричний струм викликає обертання провідника навколо магніту, або обертання магніту навколо провідника. Досвід Фарадея показав принципову можливість побудови електричного двигуна.
Багато дослідників пропонували різні конструкції електродвигунів.
Перші електродвигуни нагадували по влаштуванню парові машини: двигун Дж. Генрі (1832 г.) і двигун У. Пейджема (1864 р) мали коромисла, кривошип, шатун, а також золотники (перемикачі струму в солоно-ідах, що замінювали собою циліндр).
П. Барлоу запропонував «колесо Барлоу». Воно складалося з постійного магніту і зубчастих коліс, що ковзає контакт здійснювався за допомогою ртуті, а харчувалося колесо від гальванічного елемента.
Дж. Генрі запропонував в 1832 р модель двигуна з возвратнопоступательним рухом: рухливий електромагніт черзі притягався до постійних магнітів і відштовхувався від них, замикаючи і розмикаючи батареї гальванічних елементів. Він здійснював 75 хитань на хвилину.
Було ще багато спроб створення двигунів з качательним рухом якоря. Однак більш прогресивними виявилися спроби побудувати двигун з обертовим рухом якоря.
II етап. Другий етап розвитку електродвигунів (1834-1860 рр.) Характеризується конструкціями з обертовим рухом явнополюсного якоря. Однак обертальний момент на валу у таких двигунів зазвичай був різко пульсуючим.
У 1834 р Б.С. Якобі створив перший в світі електричний двигун постійного струму, в якому реалізував принцип безпосереднього обертання рухомої частини двигуна. У 1838 році цей двигун (0,5 кВт) був випробуваний на Неві для приведення в рух човна з пасажирами (рис. 37), т. Е. Отримав перше практичне застосування.
Випробування різних конструкцій електродвигунів привели Б.С. Якобі та інших дослідників до наступних висновків:
- застосування електродвигунів знаходиться в прямій залежності від здешевлення електричної енергії, тобто від створення генератора, більш економічного, ніж гальванічні елементи;
- електродвигуни повинні мати по можливості малі габарити і по можливості більшу потужність і більший коефіцієнт корисної дії.
III етап. Третій етап у розвитку електродвигунів (1860-1887 рр.) Пов'язаний сразработкой конструкцій з кільцевих неявнополюсним якорем і практіческіпостоянним обертає.
На цьому етапі потрібно відзначити електродвигун італійця А. Пачінотті (1860 р). Його двигун складався з якоря кільцеподібної форми, що обертається в магнітному полі електромагнітів.
Підведення струму здійснювався роликами. Обмотка електромагнітів включалася послідовно з обмоткою якоря (тобто електромашина мала послідовне збудження). Габарити двигуна були невеликі, він мав практично постійний крутний момент. У двигуні Пачінотті явнополюсний якір був замінений неявнополюсним.
Барабанний якір, в якому робочим є провідник, що становить виток, був винайдений лише в 1872 р В. Сіменсом. Ще через 10 років в залозі якоря з'явилися пази для обмотки (1882 г.). Барабанний якір машини постійного струму став таким, яким ми його можемо бачити в даний час.
Третій етап розвитку електродвигунів характеризується відкриттям і промисловим використанням принципу самозбудження, в зв'язку з чим був остаточно усвідомлений і сформульований принцип оборотності електричних машин. Живлення електродвигунів стало проводитися від більш дешевого джерела електричної енергії - електромагнітного генератора постійного струму.
У 1886 р електродвигун постійного струму придбав основні риси сучасної конструкції. Надалі він все більше і більше вдосконалювався.
За родом струму електродвигуни стали ділитися на машини змінного і постійного струму; за принципом дії машини змінного струму поділяються на синхронні і асинхронні.
Асинхронні двигуни відрізняються простотою конструкції, малою вартістю, надійністю в роботі. Вони є найпоширенішим видом двигунів.
електрогенератори
Прототип генератора електричного струму, заснований на принципі електромагнітної індукції, був сконструйований Фарадеем в 1831 р Він складався з мідного диска, що обертається вручну між полюсами постійного магніту. При цьому в диску индуцировалась електрорушійна сила (ЕРС); полюсами служили вісь диска і нерухома щітка, що має ковзний контакт з краєм диска.
Після цього були запропоновані різні конструкції електромагнітних генераторів. Магніто-електричні машини були виготовлені багатьма винахідниками: У. Річчі, І. Пікс, Ю. Кларком та ін., Але всі вони були важко застосовні для практичного використання.
На замовлення А.М. Ампера в 1832 р І. Пікс (1808-1835) виготовив перший електричний генератор з комутатором для отримання постійного струму. Він приводився в рух вручну.
У 1842 р Д.С. Вулріч виготовив потужний генератор постійного струму, з'єднавши його ремінною передачею з паровою машиною. Такий генератор використовували для харчування гальванічних ванн.
1842 рік вважається роком народження електропостачання підприємств.
У 1856-1866 роках з'явилася ідея самозбудження електрогенератора (без гальванічного елемента). Багато дослідників, інженери незалежно один від одного, раніше чи пізніше прийшли до цього: угорець А. Єдлик Аньош (1800-1895); німець Е.В. Сіменс (1816-1892); англійці Г. Уайлд (1833-1919), С.А. Варлі; американець М.Г. Фармер (1820-1893); датчанин С. Хьерт (1802-1870) і ін.
Промислове освоєння електрогенераторів почалося після 1870 року, коли француз З. Г. створив генератор з кільцевих ротором, тороидальной обмоткою і колектором майже сучасної конструкції. А. Пачінотті (1841-1912) на 10 років раніше побудував подібний електродвигун.
У 1880 р американець Т. Едісон запропонував робити муздрамтеатр якоря електрогенератора складальним з ізольованих сталевих листів. Це зменшило втрати і реакцію якоря.
У 1884 р була запропонована компенсаційна обмотка, а в 1885 р додаткові полюси для зменшення реакції якоря і поліпшення комутації.
Створення електрогенераторів і електродвигунів на постійному струмі вирішувало багато питань існуючої в той час енергетики, але передача енергії на далекі відстані виявилася скрутною.
У 1876 р П.Н.Яблочков створив дугові лампи, які набагато ефективніше працювали на змінному струмі. Для харчування декількох дугових ламп від одного джерела Яблочков використовував індукційні котушки з відгалуженнями - прообраз трансформатора або найпростіший трансформатор з розімкненим сердечником.
Введення змінного струму повинно було дозволити передавати електроенергію за допомогою підвищувальних трансформаторів напруги на великі відстані. Але тепер постало питання про створення генераторів змінного струму.
Вперше ідею обертового електромагнітного поля висловив Д. Араго в 1821 р У 1885 р Г. Ферраріс. (1847-1897) запропонував використовувати двофазний струм (систему двох змінних струмів, зрушених по фазі на 90 °), який дає можливість отримати «обертове магнітне поле», і побудував двигун змінного струму.
Н. Тесла (1856 - 1943) (рис. 40), вдалося побудувати систему з двофазного генератора, трансформатора і двигуна.
Вона була використана на Ніагарському гідростанції в США, система вимагала чотири дроти для передачі електроенергії.
У 1888 році російський винахідник М.О. Доливо-Добровольський (1862-1919), створив трифазну систему струмів, яка потім отримала визнання і поширилася в усьому світі як найбільш зручна і економічна.
Обертове магнітне поле було отримано шляхом зсуву фаз між струмами однакової амплітуди на 120 °. М.О. Доливо-Добровольський розробив ротор з обмоткою у вигляді білячої клітини і створив короткозамкнений асинхронний двигун. Трифазна система, що складається ізтрехфазного генератора, трифазного двигуна (рис. 42), і трифазного трансформатора, вимагала для передачі і розподілу електроенергії всього три дроти, будучи в той же час симетричною, урівноваженою і економічною. Витрати металу були на 25% менше, ніж в двухпроводной лінії однофазної системи. Трифазний синхронний генератор був побудований Доливо-Добровольським в 1890 р Вперше передача трифазного струму на відстань 170 км була продемонстрована на Міжнародній електротехнічній виставці у Франкфурті-на-Майні в 1891 р під час Міжнародного конгресу електротехніків.
На базі електричних генераторів і електродвигунів став конструювати індивідуальний привід верстатів, механізмів і пристроїв.
Перше захисне заземлення електричних машин запропонували російський інженер Р.Е. Классон і француз М. Депре. Генератори електричного струму пред'явили до первинного двигуну наступні вимоги: велике число обертів, висока рівномірність обертання і безперервно зростаюча потужність. Парова машина вже не відповідала цим вимогам, Вона мала 400-600 об / хв. Парову машину ви тіснила парова турбіна, яка мала велику швидкість і більш високий ККД. Зараз потужність парових турбін сягає 1200 МВт. Турбіна разом з електричним генератором називається турбогенератором
Трансформатори
У 1848 р французький механік Г. Румкорфа винайшов індукційну котушку. Вона стала прообразом трансформатора.
П.Н. Яблочков, російський винахідник, розробив систему «дроблення» електричної енергії, вперше використавши індукційну котушку як трансформатора з розімкненим сердечником для харчування декількох дугових ламп. По суті він в 1889 р Створив перший силовий трансформатор.
У 1882 р російський електротехнік І.Ф. Усагін, а в 1884 р французький інженер болард створили трансформатор напруги (для підвищення або зниження напруги). Розробка силових транс
форматорів дала можливість передавати електрику на далекі відстані, так як зі зростанням величини переданого напруги зменшуються втрати електричної енергії, і з'являється можливість зменшити перетин проводів (рис. 43).
У 1885 році угорські інженери М. Дері і О. Блаті разом з К. Зіперовскім розробили трансформатори із замкнутим магнітопроводом. З'явилася система розподілу електроенергії, заснована на паралельному підключенні трансформаторів до мережі живлення високої напруги.
В даний час на електричних станціях і підстанціях застосовують знижують і підвищують, двох- і трьохобмоточні, трифазні і однофазні силові трансформатори.
Трансформатори струму застосовують в установках змінного струму всіх напруг для послідовних котушок вимірювальних приладів і реле захисту.
Первинну обмотку трансформатора струму включають в ланцюг по отже, а до вторинної обмотки також послідовно приєднують котушки приладів і реле.Між первинною та вторинною обмотками трансформатора струму немає електричного зв'язку, тому вони надійно ізолюють прилади та реле від напруги установки.
Трансформатори напруги застосовують в установках змінного струму для живлення паралельних котушок вимірювальних приладів і реле захисту. Первинну обмотку трансформатора напруги підключають паралельно до мережі, а до вторинної обмотки приєднують паралельно котушки приладів і реле.
Трансформатор є одним з ключових компонентів сучасної енергетичної системи. Він перетворює напруги в низькі або високі з малими втратами енергії. Є важливим елементом багатьох електроприладів, механізмів і пристроїв: зарядних пристроїв, радіоприймачів, телевізорів, підстанцій, електростанцій тощо
Розміри трансформаторів можуть варіювати від горошини до громадин вагою в 500 тонн. Зменшення габаритів трансформаторів досягається за рахунок більш ефективного відводу тепла за допомогою вентиляторів, зовнішніх радіаторів, спеціальних насосів. Застосовуються системи випарного охолодження, однак вони поки занадто дороги. Процес вдосконалення системи ізоляції і охолодження трансформаторів триває: поліпшуються конструкції трансформаторів, способи охолодження, ведеться пошук можливості використання надпровідності обмоток.
В даний час функції трансформаторів можуть брати на себе напівпровідникові прилади. Однак трансформатори ще будуть виконувати свою службу досить тривалий час, ефективно і непомітно підтримуючи функціонування електроенергетичних систем, від яких залежить так багато в нашому сучасному житті.
|