Данная книга посвящена истории развития и современному состоянию электротехники. Быть может, читатель, знающий современную электротехнику и электронику, подумает: а нужно ли ему знать историю электротехники? А нам хотелось бы задать ему встречный вопрос: можно ли представить хорошего музыканта, не знающего истории музыки, или художника, тоже, конечно, хорошего, не изучившего истории живописи? Наверное, читатель согласится с тем, что такого музыканта или художника представить трудно. А вот инженера, научного работника или преподавателя вуза, не знающих истории своей специальности, оказывается представить можно. Но сотни выдающихся изобретателей и ученых всем своим творчеством убедительно показали, что, зная прошлое, легче ориентироваться в настоящем и, главное, предвидеть будущее.
Знание истории развития естествознания, истории конкретной отрасли науки и техники, в частности электротехники и электроники, избавит современного специалиста от узкого технократического мышления, поможет ему повысить общую культуру и овладеть самыми современными способами производства электротехнических изделий, методами организации и управления производственными процессами. Ведь в современном взаимосвязанном, противоречивом и бурно развивающемся мире развитие науки и техники тесно связано с социальными, экономическими, историческими, экологическими процессами. И чтобы творчески решать актуальные научно-технические проблемы, специалист должен уметь глубоко осмысливать все эти сложные взаимосвязи научно-технического процесса.
Очень полезно также ознакомиться с творческим путем наиболее выдающихся деятелей науки и техники, раскрывающим логику инженерной мысли и оригинальной методологии, пути преодоления неизбежных в процессе творчества трудностей, нередко связанных не только с техническими, но и с социальными проблемами.
Только на конкретных примерах зарождения и совершенствования тех или иных электротехнических устройств можно глубже познать диалектику научно-технического процесса.
В последнее время резко возросла ответственность ученого и инженера за социальные последствия своей деятельности. Исключительное значение для современного специалиста приобретает умение изыскивать наиболее эффективные методы организации и управления производством, прогнозирования научно-технической деятельности. И в успешном решении этих проблем специалисту, несомненно, поможет хорошее знание истории развития и современного состояния электротехники и электроники.
Известно, что решающая роль в развитии современных отраслей промышленности, транспорта, сельского хозяйства и экономики страны в целом принадлежит электрификации. Под электрификацией понимается внедрение в народное хозяйство и быт электрической энергии. Сегодня нет такой области техники, где в том или ином виде не использовалась бы электрическая энергия. Под электротехникой в широком смысле слова подразумевается область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для практических целей.
Это общее определение электротехники можно раскрыть более подробно, выделив те основные направления, в которых используются электрические и магнитные явления: преобразование и использование энергии природы (энергетическое); преобразование веществ и материалов (технологическое); получение, передача и применение информации (информационное). Поэтому более полно понятие «электротехника» можно определить как область науки и техники, в которой используются электрические и магнитные явления для осуществления процессов преобразования энергии природы и превращения вещества, а также для передачи сигналов и информации.
В последнее столетие из электротехники выделилась промышленная электроника с тремя ее направлениями: энергетическим, технологическим и информационным, которые с каждым годом приобретают все большее значение.
В развитии электротехники условно можно выделить следующие этапы.
1. Предыстория электротехники (до 1800 г.). К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследования атмосферного электричества, разработка первых теорий электричества, установление закона Кулона, зарождение электромедицины.
2. Начальный этап развития электротехники (1800–1870 гг.). Начало этого периода ознаменовано созданием «вольтова столба» — первого электрохимического генератора, а вслед за ним «огромной наипаче батареи» В.В. Петрова, с помощью которой была получена электрическая дуга и сделано много новых открытий. Важнейшими достижениями этого периода являются открытие законов Ампера, Био и Савара, Ома, создание прообраза асинхронного двигателя, первого индикатора электрического тока (мультипликатора), установление связей между электрическими и магнитными явлениями. Одним из самых знаменательных событий этого периода явились открытие явления электромагнитной индукции и создание первого электромашинного генератора. Разрабатываются разнообразные конструкции электрических машин и приборов, открываются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники электрического освещения, первые электроавтоматические приборы, зарождается электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение электрической энергии было невозможно из-за отсутствия экономичного электрического генератора.
3. Становление электротехники как самостоятельной отрасли техники (1870–1891 гг.). Создание первого промышленного электромашинного генератора с самовозбуждением открывает новый этап в развитии электротехники, которая становится самостоятельной отраслью техники. В связи с развитием промышленности, ростом городов возникает острая потребность в электрическом освещении, начинается строительство «домовых» электрических станций, вырабатывавших постоянный ток. Электрическая энергия становится товаром. И все более остро ощущается необходимость централизованного производства и экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния.
4. Создание и развитие электроэнергетики, электрификации и электроники (с 1891 г.). Развивающееся производство требовало комплексного решения сложнейшей научно-технической проблемы: экономичной передачи энергии
на дальние расстояния и создания экономичного и надежного электрического двигателя, удовлетворяющего требованиям промышленного электропривода. Это решение было найдено на основе многофазных, в частности трехфазных, систем. Важнейшей предпосылкой разработки трехфазных систем явилось открытие (1888 г.) явления вращающегося магнитного поля.
В разработку трехфазных систем большой вклад сделали ученые и инженеры разных стран. Но как будет показано далее, наибольшая заслуга принадлежит М.О. Доливо-Добровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер, создавшему трехфазные синхронные генераторы и асинхронные двигатели, трансформаторы. Убедительной иллюстрацией преимуществ трехфазных цепей была знаменитая Лауфен-Франкфуртская электропередача (1891 г.), сооруженная при активном участии М.О. Доливо-Добровольского.
С этого времени начинается бурное развитие электрификации: строятся мощные электростанции, возрастает напряжение электропередач, разрабатываются новые конструкции электрических машин, аппаратов и приборов. Электрический двигатель занимает господствующее положение в системе промышленного привода.
Процесс электрификации постепенно охватывает все новые области народного хозяйства: развиваются электротехнология, электрохимия, электротранспорт и др.
Электрическая энергия широко используется в самых разнообразных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту.
Широкое применение переменного тока потребовало теоретического осмысливания и математического описания физических процессов, происходящих в электрических машинах, линиях электропередачи, трансформаторах и других электротехнических устройствах.
Рост потребности в постоянном токе (электрохимия, электротранспорт и др.) вызывает необходимость в развитии преобразовательной техники, что привело к зарождению, а затем бурному развитию промышленной электроники.
Электротехника становится базой для разработки автоматизированных систем управления энергетическими и производственными процессами.
Глава 1.
ПРЕДЫСТОРИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ (ДО 1800 г.)
1.1. ПЕРВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
Первые наблюдения магнитных и электрических явлений относятся к глубокой древности [1.1–1.7]. О таинственных способностях магнита притягивать железные предметы упоминается в старинных летописях и легендах, дошедших до нас из Азии (Индии и Китая), Древней Греции и Рима.
