Ученые которые внесли вклад в электричество. Когда появилось электричество

Рис.2. Ветряная мельница

Рис.1. Водяная мельница

С тех пор как существует мирозданье такого нет кто б не нуждался в знаньи.

Какой мы не возьмём язык и век, всегда стремился к знанью человек.

А. А. Д. Рудаки

2. ИСТОРИЯ ЭНЕРГЕТИКИ

2.1. Общая энергетика

С древнейших времен люди нуждались в силе, в двигателях, которые помогали бы выкорчевывать деревья, приводили бы в действие приспособления для подачи воды на поля, пахали землю, вращали жернова, мелющие зерно и т.п.

В странах Древнего Востока, в Египте, Индии, Китае для этой цели уже в 3-м тыс. до н.э. использовались животные и рабы. Затем на смену живым двигателям пришло водяное колесо – два диска на одном валу, между которыми помещались дощечки – лопасти.

Поток воды в реке давил на лопасти, пово-

рачивая колесо, а через вал колеса движение

передавалось жерновами (рис. 1).

В 3-м тысячелетии до н.э. люди использовали паруса для движения лодок, но только в VII в. н. э. персы изобрели ветряную мельницу с крыльями (рис. 2). Началась история ветряных двигателей.

Водяные колеса использовались на Ниле, Евфрате, Янцзы для подъема воды, вращали их рабы. Затем древние греки и римляне использовали водяные колеса в качестве двигателя для привода насосов и мельниц, для выжимания масла. Позднее водяные колеса стали широко использоваться в ремесле, затем в промышленности.

Римский писатель Марк Витрувий Полион в I в. до н. э. впервые опи-

Рис. 4. Эолипил Герона

Рис. 3. Архимед

сал водяное колесо. Водяные колеса и ветряные мельницы вплоть до XVII века являлись основными типами двигателей.

В конце XVII – начале XVIII веков в Италии, Франции, Англии, России, Испании и других государствах делались неоднократные попытки создать двигатель, не зависящий от движущейся воды рек и ветра. Идея использования пара для создания двигателя возникла благодаря размышлениям и опытам древних мыслителей.

Архимед (ок. 287 – 212 гг. до н.э.) (рис. 3), один из гениальных исследователей античного периода, творец древней механики, великий математик. Открыл гидростатический закон, теорию рычага. Создал начала математического

анализа, придумал катапульту, паровую пушку, водоподъемный «архимедов винт», зубчатый редуктор, приборы для измерения размеров удаленных тел и многое другое.

Герон из Александрии еще в 70-е гг. н.э. изобрел простейшую паровую турбину – эолипил Герона (рис. 4).

Сила пара, вырывающегося из шарообразного сосуда, в котором кипела вода, через Г- образные трубки, вращала этот сосуд.

В середине XVIII века человечество вплотную подошло к одному из важнейших моментов

в истории технического творчества – использованию водяного пара для приведения в действие различных механизмов

В истории попыток использования пара записаны имена многих ученых и изобретателей:

итальянцев – Леонардо да Винчи, Порта; французов – де Ко, Папена; англичан – Т. Сэвери, Т. Ньюкомена; русских – И.И. Ползунова, отца и сына Черепановых и многих других.

Леонардо да Винчи (1452 -1519) – гениальный мыслитель, многогранный талантливый изобретатель, художник (рис. 5).

Он оставил 5000 страниц научных и технических описаний, чертежей, эскизов: шлюзовые ворота со створками, текстильные станки, роликовые подшипники, центробежный

вил и описал опыты, демонстрирующие силу атмосферного давления на «магдебургских полушариях», из которых был удален воздух, а разряжение это достигалось с помощью конденсации пара. Для того, чтобы разъединить эти полушария, использовали восьмерку лошадей.

дал паровой насос, в котором паро-

вой котел был отделен от цилиндра (рис.6). Царь Петр I купил насос Сэвери для приведения в действие фонтанов в Летнем саду.

Томас Ньюкомен (1663-1729 ) усовершенствовал паровой насос, связал поршень с балансиром и штангой водоотливного насоса. Охлаждающая вода подавалась в цилиндр сверху для опускания поршня (рис. 7).

Машины Ньюкомена были приобретены Петром I для откачки воды из дока в Кронштадте.

Пароатмосферные машины и Сэвери и Ньюкомена были громоздки и имели малый коэффициент полезного дей-

ствия (≈ 0,3 %).

цилиндра с поршнями и отдельный паровой котел, из которого пар поочередно поступал в цилиндры через автоматический распре-

Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) – гениальный русский ученый, мыслитель, экспериментатор, поэт (рис. 9).

Ломоносов много сделал в области различных наук и в каждой из них исследовал самые фундаментальные вопросы. Он изучал агре-

гатное состояние вещества, изучал термометрию, внедрял физические и химические методы исследования. Он экспериментально доказал и сформулировал в 1748 г. закон сохранения вещества. Это было за 18 лет до подобных опытов француза Лавуазье, которому мировая наука приписала откры-

тие закона сохранения материи. Ломоносов впервые дал правильное

объяснение теплоте, как движению мельчайших частиц – корпускул.

М. В. Ломоносов был не только выдающимся и разносторонним учёным, но и страстным пропагандистом научных знаний. Он понимал необходимость обучения для народа и уделял этому боль-

Рис. 9. М. В. Ломоносов шое внимание, помня завет Петра I: «…науки производить и оные распро-

странять.» Приведем обращение Ломоносова в стихотворной форме к своим ученикам:

О вы, которых ожидает Отечество от недр своих

И видеть таковых желает, Каких зовет от стран чужих. О, ваши дни благословенны! Дерзайте ныне ободренны Раченьем вашим показать,

Что может собственных Платонов

И быстрых разумом Невтонов Российская земля рождать.

О Ломоносове гениальный поэт и философ А.С. Пушкин писал: “Соединяя необыкновенную силу воли с необыкновенной силой понятия, Ломоносов объял все отрасли просвещения. Жажда науки была сильнейшею страстью его души. Историк, ритор, механик, химик, минералог, художник и стихотворец – он всё испытал и во всё проник. ”

Ученые, изобретатели, гениальные самоучки, механики продолжали работать над устройством и совершенствованием паровых машин и их применением, имея уже какое-то представление о теплоте.

Рис.10. Джеймс Уатт

Джеймс Уатт (1736-1819) , (рис. 10), английский механик, создал паровую машину двойного действия, рабочий ход поршня в ней производился не атмосферным давлением, а дав-

лением пара.

Машина Уатта управлялась золотниковым устройством, (центробежным регулятором пара). Содержала маховик и шатуннокривошипный механизм, совершала непрерывное вращательное движение. Конденсация пара производилась в отдельном устройстве – конденсаторе. Общий КПД машины равнялся 8 %. Во второй половине XVIII в. устройство паровой машины было отработано, она нашла широкое применение в промышленности крупных стран. В честь Д. Уатта единица мощности была названа “Ватт”.

В России паровые машины начали строиться в Петербурге (на Галерном острове), на Олонецком и других заводах.

Американец Р.Фултон в 1803 г. установил паровой двигатель на судне; такие суда стали называться пароходами.

В Петербурге с 1800 по 1825 г.

было изготовлено более 100 паровых машин заводских и 11 пароходных. Первый российский пароход “Елизавета” совершал рейсы «Петербург – Кронштадт» уже в 1815 г.

Черепанов Ефим Алексеевич вместе со своим сыномМироном Ефимовичем – механики нижнетагильских заводов – с 1820 г. по 1835 г. построи-

ли 20 различных паровых машин, а в 1833 году построили первый в России Рис. 11. Паровоз Черепановых

паровоз, (рис. 11), который двигался по чугунному рельсовому пути. Первая железная дорога в России “Петербург – Царское село”

была построена в 1837 году.

Д. Стефенсон в Англии, начиная с 1829 года, построил серию паровозов.

Рис. 12. Турбина Фурнейрона: 1-направляющий аппарат; 2-лопатки рабочего колеса; 3-вал

Создавались и изобретались различные конструкции паровых машин, появилась необходимость в теории и машин, и теплоносителя.

Французский ученый Сади Карно (1796-1832) в 1824 г. разработал основы теории паровых машин – циклы Карно. Он установил, что, чем больше разность температур подводимого и отводимого тепла у теплоносителя, тем выше эффективность тепловой машины. Со времен С. Карно тепловые (паровые, газовые и др.) машины стали развиваться в направлении повышения параметров теплоносителя – температуры и давления. Этими вопросами занимались Р. Стирлинг, Эриксон и др.

Водяные колеса и паровые двигатели совершенствовались, все больше внедрялись в промышленность, но они имели довольно низкий коэффициент полезного действия и сравнительно небольшую мощность. Требовалось создание новых машин с большим числом оборотов, с большей мощностью и большим КПД. Такими машинами стали различные модификации водяных, паровых, а позднее и газовых турбин (“турбо” – волчок).

Теорией турбин занимался Д. Бернулли (1700-1782), который исследовал динамику различных потоков энергии.

Во многих странах ученые, исследователи, механики предлагали различные варианты конструкций турбин. Был объявлен конкурс на лучшую теорию и лучшую конструкцию турбины.

Б. Фурнейрон (1802-1867) сконст-

руировал быстроходную турбину с подводом воды на лопатки радиально от центра турбины, (рис. 12). Такая турбина получила широкое использование.

Подобные активные турбины различного рода строили И. Сафонов в России, Ховд в США, Жирар во Франции и др.

Д. Френсис (1815-1892) построил радиально-осевую реактивную тур-

послужила толчком

к созданию новых типов машин.

Современные гидравлические турбины созданы на основе отбора и совершенствования турбин, построенных многими талантливыми изобретателями и конструкторами. Турбины вращались под действием движущейся воды. Затем появились паровые турбины, в которых использовался перегретый пар, подаваемый на лопатки турбин под повышенным давлением. Прообразом таких турбин был эолипил Герона Александрийского рис. 4. Паровые турбины имели целый ряд преимуществ по сравнению с паровыми поршневыми машинами: быстроходность, равномерность вращения, экономичность. Появились идеи и конструкции целого ряда новых турбин.

Ч. Парсонс (1854-1931) изо-

брел многоступенчатую осевую реактивную турбину большой мощности с особыми группами лопаток – подвижными и неподвижными. Такая конструкция была более удачной и получила дальнейшее развитие в работах конструкторов многих стран (Франции, Англии, Рос-

сии, Америки и др.). Дальнейшее развитие паровых турбин было связано помимо прочего с повышением температуры пара.

Паровые машины и турбины требовали устройства, в котором была бы топка, котел, охлаждающий агрегат. Они выполняли свое назначение, однако были очень громоздки и неудобны в эксплуатации.

Уже в конце XVII в. появилась идея создания двигателя внутреннего сгорания – ДВС, в котором не нужен котел и топка, так как газообразное рабочее тело получает энергию от сжигания топлива внутри рабочего цилиндра.

В двигателях внутреннего сгорания главная часть – цилиндр с поршнем, но на поршень давит не пар, а раскаленный сжатый газ, образовавшийся в результате сжигания топлива внутри цилиндра – отсюда и название ДВС – двигатель внутреннего сгорания.

В основе первой попытки создания ДВС легла идея Х.Гюйгенса (1629-1695) – пороховая машина. Однако она не была построена, так как в то время еще не было подходящего топлива. В последующие годы было много разработано моделей различных ДВС, но все они по тем или иным причинам не были реализованы.

Французский механик Э.Ленуар (1822-1900) изобрел горизонтальный двигатель внутреннего сгорания двойного действия. Он работал на смеси светильного газа и воздуха, имел КПД около 4 % и требовал хорошего охлаждения. Двигатель Ленуара получил довольно высокое распространение, хотя был далек от совершенства и тре-

бовал серьезных доработок. Первый четырёхтактный двига-

тель внутреннего сгорания был построен немцем Николаем Отто в 1876 году, затем он был усовершенствован русским инженеромО.Костовичем , который разработал карбюратор для сжигания легких фракций продуктов перегонки нефти. Этими же вопросами занимались немецкие изобретателиДаймлер и Бенц (основатели концерна

«Мерседес»).

Рис.15. Р. Дизель Немецкий инженер Рудольф Дизель (1858-1913) (рис. 15), разработал ДВС на тяжелом топливе – мазуте, соляровом масле. Работал он по принципу самовоспламене-

ния. Двигатели внутреннего сгорания, работающие по принципу самовоспламенения топлива в цилиндре, называются дизельными, по имени их изобретателя. Первый дизель-мотор был изготовлен в 1897 году, он содержал все основные элементы современного мотора, являлся самым экономичным из ДВС.

Г.В.Тринклер – инженер Путиловского завода, усовершенствовал процесс сжигания топлива, создал в 1889 г. двигатель со смешанным сгоранием, и с начала XX в. завод Нобеля («Русский дизель) стал выпускать в России дизельные моторы.

Большой вклад в развитие энергетики, создание двигателей, работающих на органическом топливе, вносили ученые, открывающие и разрабатывающие законы и теорию различных процессов в области химии и физики.

Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) (рис. 16) – выдающийся русский ученый, автор фундаментального периодического закона химических элементов, открытие которого способствовало развитию химии, атомной и ядерной физики. Д.И. Менделеев разработал теорию горения топлива, которая позволяла определить теплотворную способность топлив различного состава, выбрать оптимальные режимы горения и многое другое. Помимо этого, Д.И. Менделеев разработал промышленные способы разделения нефти по фракциям – бензин, керосин, мазут, открыл и сформулировал положение о критическом состоянии вещества и многое другое. Он был разносторон-

ним ученым, патриотом своей стра- Рис.16. Д. И. Менделеев ны, пропагандистом научных откры-

тий, профессором Петербургского университета и других учреждений. Учебник Д.И.Менделеева “Основы химии” (1868) переиздавался много раз и является одним из лучших учебников по химии.

Работы ученых способствовали развитию прогресса, промышленности, энергетики.

В ХХ веке появляется турбореактивный двигатель и газовая турбина. Начало развитию таких двигателей положил англичанин Д. Барбер еще в 1791 году, когда он получил патент на тепловой двигатель, в котором продукты сгорания смеси воздуха и газа подавались на лопатки турбины.

Первый работающий газотурбинный двигатель был сконструирован и испытан в 1897 году русским изобретателем инженером П.Д. Кузьминским (1840-1900), топливом для этого двигателя служил керосин; в том же году им была построена газо-паровая турбина с постоянным давлением сгорания.

Работы по созданию турбореактивных двигателей, газовых турбин велись в Германии (Штольце), в США (Мосс), во Франции (Арменго), в России (Н. Герасимов, В.И. Базаров и др.).

Однако строительство такого рода двигателей и их длительная работа требовали жаропрочных материалов и разработки теории газовых турбин. Этими вопросами, а также созданием высокоэффективного компрессора, необходимого для этих двигателей, занимались в Англии, Германии (фирма Хейнкеля), Советском Союзе (А.А. Саблуков, Б.С. Стечкин), Франции, Италии, Швейцарии и других странах.

Газотурбинные двигатели нашли себе широкое применение в авиации, на парогазовых электростанциях и др.

После того как были изобретены различного рода двигатели – ветровые, водяные, паровые, турбореактивные, внутреннего сгорания

– встал вопрос о передаче энергии на расстояние.

Передачи придумывали самые разные – ременные (с помощью ремней), гидравлические (с помощью жидкости), пневматические (с помощью воздуха, газов). Все они могли передавать энергию, но на небольшие расстояния и со значительными потерями. Развитие промышленности, строительство фабрик, заводов, рост крупных городов требовали все большей энергии и передачи ее на дальние расстояния.

Важнейшим этапом в развитии энергетической базы промышленности, сельского хозяйства, бытовых удобств явилось изобретение и применение электрических двигателей.

Электрические двигатели удобнее и надежнее других двигателей

– паровых, ветряных, водяных. Они всегда готовы к работе, могут управляться на расстоянии, позволяют регулировать скорость и т.п.

Благодаря электрическим двигателям появились: высокопроизводительные машины, станки, заводы-автоматы, электрифицированный инструмент, электрический транспорт (электрички, трамваи, метро, троллейбусы), бытовые приборы (холодильники, стиральные машины, швейные машины) и многое другое.

Открытие электричества и использование электрической энергии было одним из величайших событий. Этому предшествовали усилия многих и многих людей, начиная с древних времен и до наших дней.

Для передачи энергии на большие расстояния и распределения ее между потребителями – самой удобной является именно электрическая энергия.

Считается, что полезной электрической энергии в природе нет, хотя существуют такие электрические атмосферные явления как молнии, северные сияния, имеют электрические заряды некоторые морские обитатели, например, электрический угорь, электрический скат.

Энергия движущейся воды, ветра, энергия топлива, производящего пар и газы, использовалась уже давно и продолжает использоваться человеком. Совершенствуются установки, устройства, двигатели, но увеличивается и энергопотребление. Этим обусловлена необходимость совершенствования методов использования энергоисточников и поиск новых возобновляемых природой источников.

Рост потребления человеком энергии в целом ряде случаев приводит к вредным итоговым воздействиям производства энергии на окружающую среду. Это касается органических видов топлива – угля, нефти, мазута, газа, которые при сгорании загрязняют воздух, воду, почву; это касается и ядерного топлива, загрязняющего атмосферу радиоактивными выбросами и требующего для своих радиоактивных отходов сооружения специальных могильников длительного хранения. В результате всего этого человечество все большее внимание обращает на использование энергии солнца – гелиоэнергетику, энергию морских приливов и биологическую энергетику, которая реализуется в результате переработки органических отходов – биомассы, общая масса которой составляет примерно 3,2 млрд т в год.

В дальнейшем изложении рассмотрим историю появления электричества и развития энергетики.

Ученые Вашингтонского университета доказали, что с появлением электричества люди стали спать гораздо меньше, поскольку исчезла необходимость ложиться с заходом солнца. сайт и «Ростех» расскажут о том, как учёные смогли совладать с электрическими зарядами.

Первый опыт

Вплоть до начала XVII века знания об электричестве ограничивались размышлениями античных философов, которые в своё время заметили, что потертый об шерсть янтарь имеет свойство притягивать маленькие предметы. Янтарь по-гречески, кстати, именно так и звучит — «электрон». Само название «электричество», соответственно, и произошло от янтаря.

Устройство для получения статического электричества Отто фон Герике

Отто фон Герике, вероятно, первый наблюдал электролюминесценцию в 1663 г.

Именно эффект трения (как в случае с шерстью и янтарем ) использовал Отто фон Герике для создания одного из первых в мире электрических генераторов. Он натирал руками шар из серы, а ночью видел, как его шар излучает свет и потрескивает. Он, вероятно, одним из первых наблюдал электролюминесценцию уже в 1663 году.

Учёный и шутник Стивен Грей

Стивен Грей — британский астроном-любитель, всю жизнь едва сводивший концы с концами — как-то раз заметил, что пробка, заткнувшая стеклянную трубку, притягивает мелкие кусочки бумаги, если трубку натереть. Затем вместо пробки любопытный учёный вставил длинную щепку и заметил такой же эффект. После этого Стивен Грей заменил щепку на пеньковую верёвку. В результате своих опытов Грей смог передать электрический заряд на расстояние восьмисот футов. По сути, учёный смог открыть явление передачи электричества на расстоянии и дать людям представление о том, что может проводить ток, а что нет.

Стивен Грей смог открыть передачу электричества на расстоянии

Стивен Грей стал первым лауреатом Медали Копли, высшей награды Королевского общества Великобритании

Некоторые источники утверждают, что на своём открытии Стивен Грей сделал забавный бизнес. Он якобы брал мальчишек из приюта Чартерхаус и подвешивал их на шнурках из изолирующего материала. После этого он «электрифицировал его прикосновением натертого стекла и высекал искры из его носа ».

Лейденская банка

У Питера ван Мушенбрука, ученика Ньютона, изобретательство, можно сказать, было в крови, так как его отец занимался созданием специализированных научных приборов.

Благодаря Лейденской банке удалось впервые искусственным путём получить электрическую искру

Став преподавателем философии Лейденского университета, Мушенбрук направил свои силы на изучение нового на тот момент явления — электричества. Его научная деятельность дала результаты: в 1745 году он вместе со своим учеником соорудил устройство для накопления заряда, так называемую Лейденскую банку. Отчет об этом событии выглядит очень комично: «Банку устроил голландский физик Мушенбрук, впервые испытал удар от разряда банки лейденский гражданин Кюнеус ».

Некто Бозе высказал желание быть убитым электричеством

Создание Лейденской банки продвинуло эксперименты с электричеством на новый уровень. Некто Бозе даже высказал желание быть убитым электричеством, если об этом напишут в изданиях Парижской академии наук. Кстати, именно Мушенбрук впервые сравнил действие разряда с ударом ската, первым употребив термин «электрическая рыба».

Электрическая панацея

После изобретения Лейденской банки опыты с электричеством приобрели небывалую популярность. Почему-то люди стали считать, что электрические разряды обладают врачебными свойствами. На волне этого заблуждения Мэри Шелли написала роман «Франкенштейн, или Современный Прометей», в котором умершего смогли оживить с помощью сильного разряда тока.

Обложка книги «Франкенштейн, или Современный Прометей», 1831 год

Аббе Нолле придумал, используя электричество, необычную забаву. В Версале, демонстрируя королю Людовику чудеса электричества, учёный в 1746 году выстроил монахов в 270-метровую цепь, соединив друг с другом кусками железной проволоки. Когда всё было готово, Нолле подал электричество, и монахи в ту же секунду вскрикнули и вместе подпрыгнули. Ещё практически через сто лет Максвелл подсчитает, что электричество распространяется со скоростью света.

Вольт и гальванический элемент

Эти хорошо знакомые нам обозначения на самом деле произошли от фамилий двух учёных — Александро Вольта и Луиджи Гальвани.

Лаборатория, в которой Гальвани проводил свои опыты

Обозначение «вольт» произошло от фамилии ученого — Александро Вольта

Первый опустил пластины из цинка и меди в кислоту, тем самым получив непрерывный электрический ток, а второй первым исследовал электрические явления при мышечном сокращении. В дальнейшем эти открытия сыграли важнейшую роль в становлении науки об электричестве. На открытия Вольта и Гальвани будут опираться работы Ампера, Джоуля, Ома и Фарадея.

Судьбоносный подарок

Майкл Фарадей, ученик переплетчика в лондонском книжном магазине, заприметил книжку по электричеству и химии. Чтение настолько увлекло его, что уже тогда он сам пытался проводить простейшие опыты с электричеством. Отец, поощряя тягу сына к знаниям, даже купил тому Лейденскую банку, что позволило молодому Фарадею проводить более серьёзные опыты.

Фарадей за опытами в своей лаборатории

Фарадей сыграл едва ли не главную роль в становлении теории электричества

Как выяснилось, подарок скончавшегося вскоре отца оказал огромное влияние на юношу — через двадцать лет Фарадей откроет явление электромагнитной индукции, соберёт первый в мире генератор электроэнергии и электродвигатель, выведет законы электролиза и сыграет едва ли не главную роль в становлении теории электричества.

В жизни современного человека огромную роль играет электричество. До сих пор многие не понимают, как когда-то люди жили без электрического тока. В наших домах есть свет, вся бытовая техника, начиная от телефона и заканчивая компьютером, работает от электрического напряжения. Кто изобрёл электричество и в каком году это произошло, знают далеко не все. А вместе с тем это открытие положило начало новому периоду в истории человечества.

На пути к появлению электричества

Древнегреческий философ Фалес, живший в 7 веке до нашей эры, выяснил, что если потереть янтарь о шерсть, то к камню начнут притягиваться мелкие предметы. Лишь спустя много лет, в 1600 году, английский физик Уильям Гилберт ввел термин «электричество» . С этого момента ученые стали уделять ему внимание и проводить исследования в этой области. В 1729 Стивен Грей доказал, что электричество можно передавать на расстоянии. Важный шаг был сделан после того, как французский ученый Шарль Дюфэ открыл, как он считал, существование двух видов электричества: смоляного и стеклянного.

Первым, кто попробовал объяснить, что такое электричество, был Бенджамин Франклин, портрет которого нынче красуется на стодолларовой купюре. Он считал, что все вещества в природе имели «особую жидкость». В 1785 был открыт закон Кулона. В 1791 году итальянский ученый Гальвани исследовал мышечные сокращения у животных. Он выяснил, проводя опыты на лягушке, что мышцы постоянно возбуждаются мозгом и передают нервные импульсы.

Огромный шаг на пути к изучению электричества был сделан в 1800 году итальянским физиком Алессандром Вольта , который придумал и изобрел гальванический элемент - источник постоянного тока. В 1831 году англичанин Майкл Фарадей изобрел электрический генератор, который работал на основе электромагнитной индукции.

Огромный вклад в развитие электричества внес выдающийся ученый и изобретатель Никола Тесла. Он создал приборы, которые до сих пор используются в быте. Одна из самых известных его работ - двигатель переменного тока, на основе которого был создан генератор переменного тока. Также он проводил работы в области магнитных полей. Они позволяли использовать переменный ток в электродвигателях.

Еще одним ученым внесшим вклад в развитие электричества, был Георг Ом, который экспериментальным путем вывел закон электрической цепи. Другим выдающимся ученым был Андре-Мари Ампер. Он изобрел конструкцию усилителя, которая представляла собой катушку с витками.

Также важную роль в изобретении электричества сыграли:

• Пьер Кюри.
• Эрнест Резерфорд.
• Д. К. Максвелл.
• Генрих Рудольф Герц.

В 1870-х годах русским ученым А. Н. Лодыгиным была изобретена лампа накаливания. Он, предварительно откачав из сосуда воздух, заставил светиться угольный стержень. Чуть позже он предложил заменить угольный стержень на вольфрамовый. Однако запустить лампочку в массовое производство смог другой ученый - американец Томас Эдисон. Поначалу в качестве нити в лампе он использовал обугленную стружку, полученную из китайского бамбука. Его модель получилась недорогой, качественной и могла прослужить относительно долгое время. Значительно позже Эдисон заменил нить на вольфрамовую.

Никто не знает, в каком году изобрели электричество, но начиная с XIX века оно активно вошло в жизнь человека. Поначалу это было просто освещение, затем электрический ток начали применять и для других сфер жизни (транспорта, средств передачи информации, бытовой техники).

Использование освещения в России

Пытаясь выяснить, в каком году появилось электричество в России, учёные склоняются к мнению, что это случилось в 1879 году . Именно тогда был освещен Литейный мост в Петербурге. 30 января 1880 года был создан электротехнический отдел в Русском техническом обществе. Это общество и занималось развитием электричества в Российской империи. В 1883 году произошло знаковое в истории электричества событие - было выполнено освещение Кремля, когда к власти пришел Александр III. По его указу образовывается специальное общество, которое занимается разработкой генерального плана по электрификации Петербурга и Москвы.

Переменный и постоянный ток

Когда открыли электричество, между Томасом Эдисоном и Никола Теслой разгорелся спор, какой ток использовать в качестве основного, переменный или постоянный. Противостояние между учёными даже было прозвано «Войной токов». В этой борьбе победил переменный ток , так как он:

• легко передается на большие расстояния;
• не несет огромных потерь, передаваясь на расстоянии.

Основные области потребления

В повседневной жизни постоянный ток применяется довольно часто. От него работают различные бытовые приборы, генераторы и зарядные устройства. В промышленности его используют в аккумуляторах и двигателях. В некоторых странах им оснащаются линии электропередач.

Переменный ток способен меняться по направлению и величине в течение определенного промежутка времени. Он применяется чаще постоянного. В наших домах его источником служат розетки, к ним подключают различные бытовые приборы под разным напряжением. Переменный ток часто применяется в промышленности и при освещении улиц.

Сейчас электричество в наши дома поступает благодаря электрическим станциям . На них установлены специальные генераторы, которые работают от источника энергии. В основном эта энергия тепловая, которая получается при нагревании воды. Для нагревания воды используют нефть, газ, ядерное топливо или уголь. Пар, образовывающийся при нагревании воды, приводит в действие огромные лопасти турбин, которые, в свою очередь, запускают генератор. В качестве питания генератора можно использовать энергию воды, падающую с высоты (с водопадов или плотин). Реже используется сила ветра или энергия солнца.

Затем генератор при помощи магнита создает поток электрических зарядов, проходящих по медным проводам. Для того чтобы передавать ток на большие расстояния, необходимо повысить напряжение. Для этой роли используется трансформатор, который повышает и понижает напряжение. Потом электричество с большой мощностью передается по кабелям к месту его применения. Но перед попаданием в дом необходимо понизить напряжение с помощью другого трансформатора. Теперь оно готово к использованию.

Когда заводят разговор об электричестве в природе , первыми на ум приходят молнии, но это далеко не единственный его источник. Даже наши с вами тела имеют электрический заряд, он существует в тканях человека и передает нервные импульсы по всему организму. Но не только человек содержит в себе электрический ток. Многие обитатели подводного мира также способны выделять электричество, например, скат содержит в себе заряд мощностью 500 Ватт, а угорь может создать напряжение до 0,5 киловольт.

История развития электротехники.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, наиболее эффективной системой обновления знаний является гибкая, непрерывная на протяжении всей жизни, система самообразования и повышения квалификации. Полноценный современный специалист должен обладать способностью параллельно заниматься самообразованием как в области общетеоретических, так и специальных знаний, только тогда он сможет изыскивать эффективные пути взаимодействия с техникой будущего.

При этом человек должен помнить, что ОН – «частица биосферы» и «частица ноосферы». Свое бытиё Он должен приспосабливать к законам ноосферы. По образному выражению академика В.И. Вернадского, которое он сформулировал ещё в начале прошлого века, необходимо не покорение природы, а совместное гармоническое развитие природы и общества, иначе человечеству просто не выжить.

Решающая роль в современном научно-техническом прогрессе принадлежит электротехнике, которая, включает в себя три основных раздела: Теоретические основы электротехники (ТОЭ), Электрические машины (ЭМ) и Электронику.

Современное определение электротехники.

Электротехника - область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для осуществления процессов преоб­разования энергии и превращения вещества, а так же для передачи сигна­лов и информации.

В последние десятилетия из электротехники выделилась промышленная электроника с тремя направлениями: информационное, технологическое и энергетическое, которые с каждым годом приобретают все большее значение для научно-технического прогресса.

В развитии электротехники и электроники можно выделить следующие 8 этапов:

I этап : до 1800г. - становление электростатики . К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследование атмосферного электричества, зарождение электромедицины (опыты Гальвани), открытие закона Кулона и закона сохранения энергии.

В 1744 г. М.В. Ломоносов писал: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… сей всеобщий закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает. »

Соответствующие труды М.В. Ломоносова находились в забвении до 1904 г., а будучи опубликованы в России, не могли проникнуть в Западные лаборатории, поэтому позднее А.Л. Лавуазье повторно и независимо от М.В. Ломоносова открыл закон сохранения вещества.

Выдающийся ученый – энциклопедист М.В. Ломоносов был первым в России основоположником изучения электрических явлений, автором первой теории электричества. В 1745 г. был разработан первый электроизмерительный прибор «электрический указатель» Георгом Вильгельмом Рихманом, который погиб 25 июня 1753 г., во время сильной грозы при проведении опыта с «грозовой машиной».

Рис. 1.2. Портрет М.В.Ломоносова

II этап : 1800-1830г.г. - закладка фундамента электротехники и её научных ос­нов. Начало этого периода ознаменовано получением «Вольтова столба» - первого электрохимического генератора постоянного тока. Затем была создана «Огромная наипаче батарея» Василия Владимировича Петрова, с помощью которой была получена электрическая дуга и сделано много новых открытий. В этот период были открыты важнейшие законы: Георга Симона Ома, Жана Батисто Био и Феликса Савара, Андре Мари Ампера и была установлена связь между электрическими и магнитными явлениями. Был создан прообраз электродвигателя.

III этап: 1830-1870г. -зарождение электротехники . Самым значительным событием этого периода было открытие явления самоиндукции Майклом Фарадеем и создание пер­вого электромагнитного генератора (на основании ЭМИ). В этот период формулируются законы Ленца, Кирхгофа, разрабатываются различные конструкции электрических машин и измерительных при­боров, зарождается электроэнергетика. Однако широкое практическое применение электроэнергии в хозяйстве и быту сдерживалось отсутствием экономичного электрического генератора.

IV этап : 1870-1890г. - становление электротехники как самостоятельной отрасли техники.

В этот период создаётсяпервый промышленный генератор с самовозбуждением (динамо-машина), что привело к созданию новой отрасли электротехники «Электрические машины». Организуются производства с использованием электро­энергии. С развитием промышленности, ростом городов возникает потребность в электрическом освещении. Начинается строительство «домовых» электростанций, вырабатывающих постоянный ток. Электрическая энергия становится товаром и всё более остро ощущается потребность в централизованном производстве и экономичной передаче электроэнергии. На постоянном токе эту проблему решить нельзя из-за невозможности трансформации постоянного тока. В это время Павел Николаевич Яблочков изобрёл электрическую свечу и была разработал схему дробления постоянного электрического тока при помощи индукционных катушек, представляющих собой трансформатор с разомкнутой магнитной системой. В середине 80-х годов началось серийное производство однофазных трансформа­торов с замкнутой магнитной систеиой (Макс дёрн, Отто Блати, К Циперновский) и строительство центральных электростанций переменного тока.

Однако развитие производства требовало комплексного решения проблемы экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создания экономичного и надёжного электродвигателя. Эта проблема была решена на основе многофазных, в частности 3-х фазных систам.

V этап: 1891 –1920 гг . – становление и развитие электрификации .

Предпосылкой развития 3-х фазной системы явилось открытие в 1988 г. явления вращающегося магнитного поля. 3-х фазная система оказалась наиболее рациональной. В развитие этой системы внесли вклад многие учёные разных стран, но наибольшая заслуга принадлежит русскому учёному Михаилу Осиповичу Доливо-Добровольскому, создавшему 3-х фазные синхронные генераторы, асинхронные двигатели и трёхфазные трансформаторы. Убедительным преимуществом 3-х фазных цепей было строительство трёхфазной линии электропередачи между немецкими городами Лауфеном и Франктфуртом при активном участии М.О.Доливо-Добровольского.

Расширяются исследования явлений, протекающих в цепях синусоидального тока с помощью векторных и круговых диаграмм. Огромную роль в анализе процессов в таких цепях сыграл комплексный метод расчёта, предложенный 1893-1897гг. Чарльсом Протеусом Штейнмецом. Теоретические основы электротехники становятся базовой дисциплиной в вузах и фундаментом научных исследований в области электротехники.

VI этап: 1920 – 1940гг . – зарождение электроники: электровакуумные приборы, триод, диод. 1923г. – Лосев создал первый полупроводниковый диод – кристадин, который мог работать в режиме генератора высокочастотных колебаний. Выделилась радиотехника как самостоятельная наука.

VII этап: 1940 – 1970гг . – зарождение информатики: построение электронно - вычислительных машин.

VIII этап: 1970г. - по настоящее время – информатика как самостоятельная наука.

(Лекция подготовлена на основе книги «Очерки по истории электротехники» О.Н.Веселовский, Я.А.Шнейберг., М. МЭИ, 1993г.

Тестовые вопросы по теме лекции

1) Определение науки «Электротехника».

2) Сколько этапов можно выделить в истории развития Электротехники?

3) Время окончания первого этапа.

4) Закон сохранения материи и количества движения по Ломоносову М.В. – определение.

5) Какие учёные работали на первом этапе развития электротехники?

6) Начало и окончание второго этапа развития электротехники.

7) Какие учёные работали во время второго этапа?

8) Основные законы электротехники, открытые во втором этапе развития.

9) Начало и окончание третьего этапа развития электротехники.

10) Какие учёные работали во время третьего этапа?

11) Основные законы электротехники, открытые в третьем этапе развития.

12) Начало и окончание четвёртого этапа развития электротехники.

13) Какие учёные работали во время четвёртого этапа?

14) Основные законы электротехники, открытые в четвёртом этапе развития.

15) Начало и окончание пятого этапа развития электротехники.

16) Какие учёные работали во время пятого этапа?

17) Основные события в области электротехники, произошедшие на пятом этапе развития.

18) Начало и окончание шестого этапа развития электротехники.

19) Какие учёные работали во время шестого этапа?

20) Основные события электротехники, произошедшие в шестом этапе.

21) Начало и окончание седьмого этапа развития электротехники.

22) Какая наука зародилась во время седьмого этапа?

23) Начало восьмого этапа развития электротехники.

Лекция 2.

Основные понятия и определения в электротехнике .

Электрическая цепь – совокупность источников электрической энергии, линий электропередач и электроприемников. Для анализа и синтеза электрических цепей вводят понятия: электродвижущей силы (ЭДС), обозначается Е ; напряжения , обозначается U (Е и U измеряются в Вольтах [B]); тока (I ) измеряется в Амперах [A]; сопротивления R , [Ом]; величины, обратной сопротивлению - проводимости (G ) измеряется в Сименсах [См] (R =1/G ); индуктивности L , единица измерения Генри [Гн]; емкости С , единица измерения Фарада [Ф]. На схемах вышеперечисленные элементы обозначаются следующим образом:

индуктивность - ,

C

емкость - ,

Е

J

источник тока - .

Положительным направлением тока называется направление, в котором перемещают положительно заряженные частицы или направление, противоположное движению электронов.

Источники электроэнергии .

Реальный источник электроэнергии обладает внутренним сопротивлением больше нуля и в электротехнике представляется в виде двух вариантов – источник ЭДС и источник тока .

У идеального источника ЭДС внутреннее сопротивление равно нулю. У идеального источника тока R ВН = ∞, т.е. чем выше R ВН, тем ближе источник тока к идеальному (рис. 2.1).

Реальный источник обладает внутренним сопротивлением.

Рис. 2.2. Эквивалентная схема реального источника тока - (а), и его вольтамперная характеристика (ВАХ) - (б).

Источник тока можно получить из источника ЭДС, если параллельно источнику тока включить сопротивление, равное внутреннему сопротивлению источника ЭДС. Соответственно значение тока источника тока определяют по формуле I=E/ R ВН (рис. 2.2).

Узел электрической цепи - это точка, в которой соединены 3 или более ветвей (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Обозначение узла электрической цепи.

Ветвь электрической цепи – участок цепи, расположенный между двумя узлами, состоящий из одного или нескольких последовательно соединенных электрических элементов. По ветви течет один и тот же ток (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Обозначение ветви электрической цепи.

Замкнутым контур электрической цепи называют путь, проходящий через несколько ветвей и узлов разветвленной электрической цепи (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Обозначение контура электрической цепи.

Мы хорошо понимаем, что сегодняшняя жизнь без электричества была бы невозможной. Человечеству понабилось несколько веков, чтобы изучить и «приручить» это природное явление. Среди тех, кто покорял электричество , были и российские ученые , которые внесли неоценимый вклад в развитие электротехники .

Павел Николаевич Яблочков

Павел Николаевич Яблочков известен, прежде всего, изобретением электрической свечи , которая вошла в историю как «свеча Яблочкова ». Деятельность ученого пришлась на вторую половину девятнадцатого века, и обозначилась значимыми изобретениями в области электротехники.

Первым опытом молодого Яблочкова стал «чернопишущий телеграфный аппарат », который он изобрел , будучи начальником телеграфа на железной дороге. Правда, об этом произведении вскоре забыли, и на сегодняшний день ничего неизвестно о «телеграфном аппарате » Яблочкова . На изобретение, которое уже принесло ему славу, Павла Николаевича вдохновил опыт А.Н. Лодыгина , и Яблочков стал посвящать все больше времени на улучшение дуговых ламп: его первые попытки в этом направлении обозначились работой над совершенствованием регулятора Фуко.

Уже позже, Павлу Николаевичу удалось изобрести самую близкую предшественницу «лампочки Ильича» - электрическую свечу , которая и прославила изобретателя . Именно с электрических свечей началось наружное освещение: городские площади, витрины магазинов, театры и улицы в темное время суток были озарены светом. Применение свечей Яблочкова началось в Париже, Лондоне и Берлине. Европа была просто поражена новым изобретением , которое современники прозвали «русским светом».

Сложно представить, но такие «лампы» служили немногим больше часа, поэтому существовала необходимость менять их на новые. Правда, вскоре для этой цели придумали фонари с автоматической заменой свечей . Кроме того, в сравнении с современными электрическими лампами, свет от свечей Яблочкова был тусклым и непостоянным. Но, несмотря на несовершенства, это изобретение стало первым, которое смогли широко применить в наружном освещении.

За свою жизнь Яблочков успел подарить человечеству еще несколько значимых изобретений . Так, ученый создал первый генератор переменного тока , а затем и трансформатор переменного тока . Именно Павел Николаевич первым применил переменный ток в промышленности. Благодаря своим открытиям, Яблочков стал первым среди всех ученых планеты, кто создал систему «дробления» электрического света. В его жизни было ещё много открытий и достижений, однако ученый вошел в историю своим главным триумфом – электрической свечой .

Александр Николаевич Лодыгин

Мы уже упоминали имя этого талантливого ученого в предыдущем рассказе, так как Александр Николаевич Лодыгин прославился не только своими изобретениями в области электротехники , но и оказал большое влияние на своих коллег-современников.

Прежде всего, Лодыгин стал известен как изобретатель лампы накаливания , он посветил многие годы своей жизни на изучение и совершенствование этого изобретения . Однако история не признаёт единственного создателя лампы накаливания – это продукт множества открытий разных ученых . Но Александр Николаевич занимает важное место в появлении и становлении этого изобретения – он первый стал применять вольфрам и закручивать нити в спираль, а также откачал из тела лампы воздух, чем увеличил ее срок службы в несколько раз. Таким образом, он стал родителем современной лампочки, которая широко применяется и сегодня.

В своей жизни Лодыгин уделял много времени созданию электролета , его изобретение должно было отправиться в Париж, но из-за поражения Франции в войне, Лодыгин отменил свои планы, и в дальнейшем его деятельность не касалась летательных аппаратов.

Кроме того, в его списке изобретений числятся такие важные проекты как автономный водолазный скафандр , индукционная печь , электрический обогреватель для отопления .

Борис Михайлович Гохберг

О самом изобретателе Гохберге известно немного: он был советским ученым Ленинградского физико-технического института; посвящал много времени изучению электрических свойств газов и открыл так называемый «элегаз », который активно используется в современной энергетике.

Благодаря пристальному вниманию к шестифтористой сере , ученый открыл уникальные свойства этого соединения, которое позже получило название «электрический газ ». Так, элегаз начали использовать в советской промышленности, а широкое применение он получил в 90-х годах прошлого века.

Элегаз безвреден в смеси с воздухом и является негорючим веществом. Именно им стали заменять трансформаторные масла, которые всегда несли в себе риск пожара. Элегаз также широко используется в высоковольтной электротехнике , а технологии с использованием элегаза до сих пор считаются передовыми.

Советские ученые

В СССР нередко труд ученых обобщался и обезличивался, поэтому в публикации мы не сможем назвать имена людей, которые изобрели первую атомную электростанцию . Это открытие стало настоящим прорывом в энергетике .

Во второй половине 40-х годов, ещё до окончания работ по созданию первой советской атомной бомбы, советские ученые приступили к разработке первых проектов мирного использования атомной энергии, генеральным направлением которого сразу же стала электроэнергетика . Так, в июне 1954 года в городе Обниск была запущена первая атомная электростанция . К концу ХХ века в мире насчитывалось уже более 400 атомных электростанций .