Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
3340; 001, N 33, ст. 3413; 00 , N 1, ст. 4; N , ст. 0 ; N 30, ст....полностью>>
'Документ'
ЛУНИНО (Архангельское), поселок городского типа, районный центр, в 45 км к северу от Пензы. Железнодорожная станция на линии Пенза – Рузаевка, автодо...полностью>>
'Документ'
Возвращаясь домой из Санкт – Петербурга, мы до поздней ночи делились своими впечатлениями от поездки. Восторг переполнял каждого. Стук железнодорожны...полностью>>
'Закон'
Відповідно до статті 27 Митного кодексу України ( 92-15 ), статті 20 Закону України "Про охорону навколишнього природного середовища" ( 126...полностью>>

Главная > Документ

Сохрани ссылку в одной из сетей:

1

Смотреть полностью

ВВЕДЕНИЕ

История развития техники вообще и приводной техники в частности может быть охарактеризована следующими положениями:

- история развития техники носит междисциплинарный характер;

- история развития техники – комплексная наука, одновременно и естественная и техническая;

- история развития техники – интегративная наука, объединяющая на новом уровне достижения отдельных научных направлений и не являющаяся простой суммой знаний;

- история развития техники – динамично изменяющаяся наука, пополняющаяся новыми знаниями, концепциями и фактами.

При исследовании новой научной проблемы или создании нового объекта техники имеется, как правило, несколько гипотез, путей решения, – и знания истории техники позволяют выбрать закономерный путь развития. Знание истории развития техники позволяет обоснованно выбрать (предложить к более глубокому анализу) правильную альтернативу для дальнейшего развития науки и техники; подсказывает исторические аналогии, попытки решения данной проблемы в прошлом; позволяет выявить приемы научного познания и научного творческого мышления, закономерности и законы развития науки и техники в целом.

Задачи истории развития приводной техники:

- поиск, систематизация, анализ и обобщение историко-научных и историко-технических фактов;

- постоянное расширение источниковой базы исследований;

- выявление и обоснование законов и закономерностей научно-технического развития;

- анализ роли и значения развитии приводной техники в культурно-историческом развитии;

- постоянное совершенствование методологического обеспечения исследовательской практики (уточнение понятийного аппарата, углубление анализа текстов и материальных источников, создание и критика концептуальных моделей описания и объяснения историко-научного и историко-технического знания, расширение практики использования экспериментальной проверки и математического описания исторического знания, радикальное расширение использования современных компьютерных технологий в истории развития приводной техники);

- исследование особенностей развития приводной техники в отдельные периоды в отдельных регионах и странах.

К предмету истории развития приводной техники относятся:

- информация о событиях и творцах истории приводной техники;

- материальные памятники истории приводной техники;

- процессы получения, обоснования научного и технического знания в

различных культурно-исторических условиях (контекстах);

- структура и содержание научно-технического знания.

Предмет, в общем виде (его выбор, структура, описание) полностью определяется целями и задачами исследования. В качестве предмета может выступать и ненаучное знание (например, миф).

Материал пособия построен преимущественно на использовании исторических фактов развития приводной техники. Исторические факты из других областей техники (металлургии, транспорта и т. д.), а также из истории развития науки привлекаются главным образом в тех случаях, когда обращение к этим фактам существенно необходимо для выявления и показа общих взаимосвязей и взаимообусловленностей в развитии приводной техники.

Такой отбор учебного материала вытекает из того обстоятельства, что привлечение всего обширного фактического материала истории развития приводной техники для чтения курса неизбежно приводит в пределах ограниченного времени, отводимого учебным планом, лишь к поверхностной констатации бесчисленных фактов, без их раскрытия, оценки их значимости, связей и взаимовлияния.

В связи с этим необходимы два направления отбора учебного материала. Первое направление – привлечение материала, относящегося к узловым моментам развития техники и науки, вне зависимости от того, к какой конкретной области он относится. Второе направление – отбор материала из области приводной техники, которую изучает конкретная студенческая аудитория, с тем, чтобы использовать специальные познания студентов для раскрытия технической сущности исторического материала, научно обоснованной оценки его значения. В связи с изложенным очевидно, что материал пособия несколько превышает по своему объему материал, излагаемый при чтении курса.

Одной из основных задач курса «История развития приводной техники» является расширение научно-технического кругозора студента, вооружение его правильным пониманием важнейших закономерностей науки и техники, воспитание в нем творческого подхода к решению научно-технических проблем.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ

Наукой установлено, что главной силой в системе условий материальной жизни общества является производство материальных благ, необходимых для того, чтобы общество могло жить и развиваться. Эти материальные блага – пища, одежда, обувь, жилище, топливо, орудия – производятся в процессе труда. Процесс труда претерпел значительное развитие от простейшего мускульного труда, не требовавшего от своего исполнителя особых знаний, до квалифицированного труда современного рабочего, требующего серьезных познаний и умения для управления сложными машинами. Но как бы ни изменялся характер процесса труда, последний не может протекать без средств труда. Средства труда – это материальные вещи или комплексы вещей, которыми человек воздействует на вещество природы. Воздействие может быть самым разнообразным: механическим, химическим, тепловым, и в зависимости от формы воздействия средство труда принимает конкретную форму молота, генератора, печи и т. п.

К средствам труда относятся не только те, которые оказывают непосредственное воздействие на предмет труда (орудия труда), но и те, которые создают условия для процесса труда (освещение, отопление, транспортные средства и т. д.).

Совокупность средств труда и составляет содержание понятия «техника». Здесь слово «совокупность» не следует понимать как некоторую связь между отдельными средствами труда, обусловливающую их совместное действие (например, паровой котел, турбина, электрогенератор, распредустройство и т. п.). Здесь совокупность понимается просто как наличие всех вместе взятых средств труда, находящихся в распоряжении общества на том или ином этапе его развития.

Определение: «техника – это совокупность средств труда» – не отвечает на вопрос: почему средства труда дают возможность производить материальные блага? Ответ на этот вопрос важен потому, что и форма, и материал средств труда неразрывно связаны с выполняемыми ими процессами, определяются этими процессами (топор должен быть острым, молот – тяжелым, пружина – гибкой, тигель – огнеупорным и т. п.). Далее, поскольку средства труда создаются людьми, необходимо знать причины их появления и возможности их изготовления, без чего нельзя изучать развитие техники, т. е. переход ее от применения простых средств труда к применению более сложных. При всем многообразии процессов труда общим для них является изменение предмета труда. Это может быть изменение геометрической формы (ковка, прокатка, резание и т. д.), изменение структуры (закалка, отжиг и т. д.), изменение состава (окисление, получение сплавов, синтетиков и т. д.), и возможные иные изменения, но всякое изменение (формы, структуры, состава и т. д.) неизбежно связано с соответствующими изменениями энергии как в пределах одного ее вида, так и при переходах из одного вида в другой.

В процессе производства материальных благ человек использует вещество и энергию.

Особое свойство высокоорганизованной материи – мышление, – дает возможность познания природы и следствием этого познания является активное обращение человека к природе за ее веществом и энергией для их использования в процессе производства материальных благ.

Человек использует первичную энергию природы (биологическую, гидравлическую, тепловую) или преобразует ее во вторичную (например, в электрическую), затем направляет энергию в той или иной форме, при посредстве орудия труда, на вещество предмета труда, где энергия обусловливает желательный процесс изменения формы, состава, структуры и т. д., в результате которых получается намеченный продукт.

Приведенная расстановка справедлива для любого уровня развития техники. Первобытный человек использовал свою биологическую энергию, направляя ее на выполнение механической работы в виде ударов одним камнем по другому для того, чтобы придать последнему форму топора. Современный рабочий использует электроэнергию, преобразованную в механическую энергию, направляя ее на выполнение операции резания или ковки, проката или волочения.

Теперь можно ответить не только на вопрос, из чего слагается техника, но и на вопросы о том, откуда она появилась, чем вызвано ее появление, как она выполняет свое назначение. Было показано, что техника есть совокупность средств труда, что эти средства труда созданы человеком, что нужны они для производства материальных благ, что это производство осуществляется благодаря использованию энергии природы. Зная все это, сформулируем следующее определение: техника есть совокупность средств труда, создаваемых человеком на основе познания законов природы для того, чтобы направлять энергию природы на ее вещество с целью производства материальных благ. История техники наука о развитии техники и его закономерностях.

Для изучения техники существуют технические науки.

История техники исследует вещественные формы средств труда, применявшихся человеком на различных ступенях его развития и процессы, выполняемые этими средствами труда. С этой точки зрения история техники – техническая наука.

Но история техники – не только техническая наука.

Способ производства материальных благ, в осуществлении которого техника играет существенное значение как составная часть производительных сил (слагающихся из средств труда и людей, управляющих ими), складывается не только из одних производительных сил, но и из производственных отношений людей. Производительные силы и производственные отношения находятся в связи, определяемой законом обязательного соответствия производственных отношений характеру производительных сил. Производственные отношения определяются состоянием производительных сил, изменяются с их изменением, но, с другой стороны, сами влияют на ускорение или замедление их развития. Поэтому изучать развитие техники как существенного элемента производительных сил нельзя без изучения смены производственных отношений.

Поэтому история техники является также и общественной наукой.

Периодизация истории техники в основном совпадает с периодизацией истории развития человеческого общества, основанной на смене общественно-экономических формаций. Поэтому развитие техники целесообразно рассматривать в соответствии с известной периодизацией развития общества.

Итак, история техники связана и с техническими, и с общественными науками. Не меньшее значение имеет связь истории техники с естествознанием. История техники связана с естествознанием постольку, поскольку технические науки основаны на естествознании, направлены на практическое использование открытых естествознанием законов объективного мира в процессе производства материальных благ. Развитие естествознания, познание закономерностей природы, определяло пути развития техники как метода практического использования открытых закономерностей, а техническая практика, открывая новые явления, ставила перед естествознанием задачи объяснения этих явлений, вызывая зарождение новых отраслей естествознания. Так, например, открытие атмосферного давления направило на «использование силы атмосферы» усилия изобретателей, приведшие к становлению парового двигателя. Техническая практика построения и эксплуатации паровых двигателей со своей стороны явилась причиной зарождения термодинамики и других наук.

Таким образом, для изучения истории техники необходимо не только знать современное естествознание, но и путь его исторического развития; необходимо развитие техники исследовать в неразрывной связи с развитием естествознания.

Если уровень развития техники определяется степенью познания законов природы, то характер и направленность этого развития, его темпы определяются экономическими законами общественных формаций.

Поэтому для изучения истории техники необходимо знать также и экономические законы развития общества.

Объект исследования истории техники – исторические данные и события: орудия, средства труда, время их возникновения, внедрения, отмирания; методы использования тех или иных технических объектов; деятельность людей, вносивших новое в технику, методы их работы, результаты их трудов, условия, в которых протекала их деятельность, и т. п.

Для выявления этих фактов служат следующие источники: средства труда разных эпох и народов как в подлинниках, так и представленные в виде выполненных по ним чертежей, фотографий, моделей, описаний; труды деятелей науки и техники; заводская техническая документация; патенты, архивные фонды, являющиеся источником неопровержимых документальных сведений, помогающих восстанавливать действительную картину возникновения, развития и отмирания того или иного исторического явления; техническая и научная периодика, содержащая в себе не только описания тех или иных технических объектов, но и зачастую характеризующая отношение к ним современников; научная литература по истории техники (так называемая историко-техническая литература).

Приведенные источники дают обширный фактический материал, являющийся объектом исследований истории техники.

Все исторические факты, являющиеся объектом изучения истории техники, представляют собой только материал для познания закономерностей развития техники, подобно тому как, например, объект изучения палеонтолога – остатки ископаемых животных – является материалом для познания закономерностей развития органической природы.

История техники должна уметь находить узловые точки развития техники в форме переходов на новую качественную ступень. Так, например, развитие производства и связанное с ним все более и более широкое применение водяных колес вызвали кризис гидроэнергетики и переход к теплоэнергетике; увеличение дальности электропередачи вызвало переход к технике трехфазного тока и т. д. Развитие техники, как и всякое развитие, вызывается наличием внутренних противоречий, раскрытие которых необходимо для понимания развития техники.

Постоянный рост потребности общества в материальных благах определяет собой основную закономерность развития техники – ее ускоренный рост. Этот ускоренный рост определяется, прежде всего, ростом народонаселения. Однако ускорение роста техники значительно превышает ускорение роста народонаселения. Это означает, что рост техники стимулируется не только ростом числа потребителей, но и ростом потребления материальных благ каждым членом общества. Статистика констатирует, что история развития человеческого общества сопровождается повышением душевого потребления материальных благ. Очевидно, что рост душевого потребления материальных благ может быть обеспечен только за счет роста душевого их производства, а, следовательно, роста производительности труда членов общества, занятых производительным трудом.

За счет чего можно увеличивать производительность труда? В ранний период развития общества, когда на вооружении его примитивной техники имелись только орудия ручного труда, увеличение производительности труда могло быть достигнуто в основном за счет двух факторов: увеличения продолжительности рабочего дня и интенсификации труда рабочего. С возникновением машинного производства возникает и третий фактор повышения производительности труда – передача функций рабочего машинам.

Машина – важнейший элемент техники, развитие которого не будет отчетливо понятно, если не представить себе, в чем именно заключается передача функций рабочего машине.

В процессе ручного труда рабочий выполняет несколько функций, отличающихся друг от друга по своему характеру. Так, приводя в движение с известным усилием инструмент, рабочий сообщает ему потребное для совершения работы количество механической энергии, вырабатываемой в его мышечной системе. Это – первая, энергетическая, функция, которую выполняет рабочий в процессе производства.

Однако если поставить на работу у верстака физически развитого человека, способного отдать инструменту более чем достаточное количество энергии, вся эта энергия может пойти на выработку брака, если данный человек не знаком с технологическим процессом, слагающимся из комплекса специальных операций. Знание этого комплекса и умение его осуществлять дает рабочему возможность выполнять вторую – технологическую функцию производственного процесса.

Затрата энергии необходима также при перемещении предмета труда или полученного из него готового продукта, представляющего собой особую, транспортную функцию производства.

Необходимость наблюдения, контроля и управления за течением технологического процесса, выражающаяся при ручном труде в периодическом использовании контрольно-измерительных устройств, определяет четвертую функцию процесса труда – контрольную.

Наконец, процесс труда требует выполнения наиболее сложной – логической – функции, коренным образом отличающей труд человека от бессознательной деятельности животных.

Расчленение процесса труда на отдельные функции позволяет понять внедрение машин, поскольку машины заменяют человека не вообще, а в выполнении отдельных функций.

Получаем машины энергетические, обеспечивающие процесс труда необходимым количеством энергии; машины технологические, обеспечивающие протекание технологических процессов изменения формы, структуры, состава предмета труда; машины транспортные, осуществляющие перемещение материалов и продуктов труда; машины контрольные, автоматически контролирующие и направляющие течение производственных процессов, и, наконец, машины, выполняющие заданные им логические функции, машины управляющие и информационные, ЭВМ, компьютеры и т. д.

Удовлетворяя потребность во все большем и большем потреблении на душу населения, техника в своем развитии находит пути увеличения производительности труда преимущественно за счет передачи машинам выполнения энергетических, технологических, контрольных, транспортных и логических функций человека в процессе труда.

Однако производительность труда является не единственным показателем качественного уровня развития техники. С развитием техники человек все более интенсивно использует материалы, различные физические и химические процессы. В связи с этим увеличивается количество конечной или промежуточной продукции, получаемой с единицы веса, длины, площади, объема разнообразных энергетических и технологических машин. В самом общем смысле такой показатель качественного состояния техники можно назвать показателем интенсивности ее использования.

Наконец, поскольку техника использует познанные законы природы, то одним из показателей ее уровня развития может служить результат сопоставления реального эффекта того или иного технического объекта с идеальным эффектом. Эти показатели – разнообразные коэффициенты полезного действия, широко распространенные в современной технике.

Приведенные три вида показателей уровня развития техники – производительность труда, интенсивность использования технических объектов и технологических процессов и коэффициенты полезного действия – имеют свои тенденции развития. Так, производительность труда со временем растет ускоренно. Растет и интенсивность использования техники, хотя характер этого возрастания различен для различных элементов техники. Что же касается коэффициентов полезного действия, то они имеют тенденцию замедленного роста. Изучение динамики изменения коэффициентов полезного действия имеет большое значение как объективный показатель необходимости создания новой техники в тех случаях, когда дальнейший рост к. п. д. при использовании какого-либо закона природы лимитируется рамками этого закона, а потребность в продукте, получаемом на основе этого закона, растет.

Процесс развития техники – процесс, полный разнообразных противоречий. Наиболее общий вид противоречия, характерного для развития техники, – это противоречие между потребностями общества в материальных благах и возможностями удовлетворить эти потребности на базе существующей техники.

Так, потребность во все большем количестве продукции текстильной промышленности в Англии в середине XVIII в. вошла в противоречие с возможностями ручного производства, разрешившееся изобретением ряда прядильных и ткацких машин. Это и ему подобные противоречия являются конкретной формой проявления основной движущей силы развития техники как существенного элемента производительных сил общества – потребности общества в материальных благах.

В отдельных случаях социальный заказ на новые формы техники проявляется в исключительно отчетливой форме, перерастающей в конкретное техническое задание. Так, потребность в металле и угле поставила перед изобретателями в совершенно конкретной форме задачу создания двигателя, приводящего в движение насосную штангу. Задача об универсальном тепловом двигателе была также поставлена перед изобретателями в совершенно конкретной форме создания двигателя с вращательным движением.

Изложенные общие определения, закономерности и тенденции развития техники дают возможность аналитического рассмотрения исторического материала, критического отбора наиболее характерных фактов и явлений, определения влияний и взаимосвязей.

1. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И ИЗУЧЕНИЕ ЕГО СВОЙСТВ

1.1. Первые наблюдения гальванических явлений

В течение многих столетий вплоть до последней четверти XVIII в. были известны только явления статического электричества. Промышленный переворот XVIII в. дал мощный толчок развитию различных отраслей науки, в том числе науки об электричестве. Изучение электрических явлений все более расширяется, им начинают заниматься не только физики, но многие естествоиспытатели и в особенности врачи, пытавшиеся применять электричество для лечебных целей. Поэтому не случайными явились опыты итальянского анатома Л. Гальвани, приведшие к наблюдению новых проявлений электричества.

П

Луиджи Гальвани

(1737 – 1798)

ервые опыты Гальвани относятся к 1786 г. Они стали широко известны физикам после выхода в свет сочинения Гальвани «Трактат о силах электричества при мышечном движении» (1791 г.). Во время одного из своих опытов Гальвани вел наблюдения над препарированной лягушкой, подвешенной на железные перила балкона, причем через спинной мозг лягушки проходил медный крючок. Прижимая другой конец этого крючка к железным перилам балкона, Гальвани обнаружил, что сокращение мышц происходит совершенно независимо от каких-либо внешних электрических явлений. Положив в своей лаборатории препарат на железную пластинку и прижав к этой пластинке медный крючок, продетый через спинной мозг лягушки, Гальвани наблюдал очень сильные сокращения ее мышц. Подобных сокращений он не замечал при замене одного из металлов непроводником. Гальвани сделал правильное предположение о том, что причиной, вызывающей сокращения мышц лягушки, является действие электрических сил. Но нужно было решить очень важный вопрос: как и где во всех этих опытах возникает электричество?

Ни железная пластинка, ни медный крючок, соприкасавшиеся с телом лягушки, не могли – по представлениям физиков того времени – служить источником электричества, так как на металлы смотрели только как на проводники, считая, что они могут становиться «электрическими» лишь через прикосновение к другим наэлектризованным телам; тогда оставалось предположить, что таким источником является сама лягушка. Все это создавало почву для представлений о существовании особого – «животного» электричества; такую мысль и высказал Гальвани для объяснения наблюденных им фактов. Этому предположению Гальвани придал форму теории, изложенной в упомянутом «Трактате о силах электричества при мышечном движении». Тело животного являлось согласно взглядам Гальвани своеобразной лейденской банкой, способной на непрерывное повторное действие.

Опыты Гальвани вызвали большой интерес. Среди физиологов стала еще больше, чем ранее, укрепляться мысль об электричестве как удивительном новом средстве для исцеления. Что касается физиков, то их взгляды на явления, наблюденные Гальвани, разошлись. Одни соглашались с Гальвани и считали, что «гальваническое», или «животное», электричество имеет совершенно иную природу, чем электричество трения, другие отождествляли оба вида электричества; наконец, третья группа физиков оспаривала вообще существование «животного» электричества. К этой группе принадлежал профессор физики в Павии Алессандро Вольта.

1.2. Создание первого источника электрического тока

В

Рис. 1.1- Вольтов столб

Алессандро Вольта

(1745 – 1827)

течение 1792 – 1795 гг. Вольта исследовал те явления, которые Гальвани назвал «животным» электричеством. Он установил, что даже очень незначительные электрические силы способны вызывать сильные содрогания всех членов лягушки, особенно лап. «Электрическая сила, – писал Вольта, – не могущая дать ни малейшей искры, не оказывающая действия на чувствительные беннетовы электроскопы, производит сильнейшее содрогание в лапках. Лягушка, приготовленная по способу Гальвани, есть чувствительнейший электрометр». Этим Вольта правильно указал на то, какую роль играла лягушка в опытах Гальвани. Источником электричества, по мнению Вольта, является контакт двух разнородных металлов.

Таким образом, Вольта создал теорию «контактного» электричества. Эта теория утверждала, что при соприкосновении различных металлов происходит разложение их «естественного» электричества; при этом электричество одного знака собирается на одном металле, а другого – на другом. Силу, возникающую при контакте двух металлов и разлагающую их «естественное» электричество, Вольта назвал электровозбудительной или электродвижущей силой; эта сила «перемещает электричество так, что получается разность напряжений» (между металлами).

Произведя исследование этого вопроса при помощи созданного им весьма чувствительного прибора – электроскопа с конденсатором, Вольта установил, что металлы можно распределить в некоторый ряд, в котором «разность напряжений» между двумя металлами будет тем больше, чем дальше они расположены друг от друга.

С современной точки зрения теория контактного электричества, предложенная Вольта, была ошибочной. Высказав мысль о там, что для получения электрического тока достаточно лишь простого контакта между разнородными металлами, Вольта стал на антинаучную позицию о возможности непрерывного получения энергии в виде гальванического тока без затраты для этого какого-либо другого вида энергии. Однако в начале прошлого века эта теория контактного электричества нашла многих сторонников и на некоторое время удержалась в науке.

Многочисленные эксперименты привели Вольта к выводу, что непрерывный электрический ток может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников – металлов (которые он называл проводниками первого класса) и жидкостей (названных им проводниками второго класса).

Опыты Вольта завершились построением в 1800 г. первого источника непрерывного электрического тока, составленного из медных и цинковых кружков (пар), переложенных суконными прокладками, смоченными водой или кислотой. Этот прибор известен под названием вольтова столба (рис. 1.1).

Необходимость применения проводников второго класса (суконных кружков, смоченных водой или кислотой) Вольта объяснял следующим: при соприкосновении двух различных металлов электричество одного знака сосредоточивается на одном металле, а электричество противоположного знака – на другом. Если составить столб из нескольких пар различных металлов, например цинка и серебра (без прокладок), то каждая цинковая пластина будет находиться в соприкосновении с одинаковыми серебряными пластинами, и их общее действие будет взаимно уничтожаться.

Для того чтобы действие отдельных пар суммировалось, необходимо обеспечить соприкосновение каждой цинковой пластинки только с одной серебряной. Это осуществляется с помощью проводников второго рода – суконных кружков, смоченных водой или кислотой, разделяющей пары металлов и не препятствующих движению электричества. Таким образом, Вольта, не понимая того, что электрический ток возникает в результате химических процессов между металлами и жидкостями, практически пришел к созданию гальванического элемента, действие которого основывалось именно на превращении химической энергии в электрическую. Хотя Вольта и заметил, что поверхности приведенных в контакт разнородные металлов, составляющих гальваническую пару, подвергаются изменению – окисляются, тем не менее он не придал этому факту никакого значения.

Вольта предложил, кроме столба, еще и несколько иную конструкцию источника электрического тока – так называемую чашечную батарею (рис. 1.2), действие которой, по его мнению, также было основано на контакте между двумя металлами (роль влажной суконной прокладки столба заменяла жидкость). Чашечная батарея представляла собой соединение отдельных элементов, имевших форму банок, наполненных разбавленной серной кислотой, в которую погружались медная 1 и цинковая 2 пластины. Кроме предложенных Вольта конструкций источника электрического тока вскоре были разработаны некоторые другие его модификации.

А

Д. Ф. Араго

(1786 – 1853)

раго, написавший биографию Вольта, называет вольтов столб «самым замечательным прибором, когда-либо изобретенным людьми, не исключая телескопа и паровой машины». В этом определении нельзя усматривать преувеличения. Вольтов столб – это первый источник непрерывного электрического тока, сыгравший громадную роль как в развитии науки об электричестве, так и в расширении его практических приложений.

Рис. 1.2. Чашечная батарея Вольта

Вольтов столб в различных своих модификациях долгое время оставался самым распространенным источником электрического тока, крупнейшие ученые первой половины XIX в. – Петров, Дэви, Ампер, Фарадей – широко применяли вольтов столб для своих опытов.

1.3. Обнаружение и изучение действия электрического тока

Первые же опыты с электрическим током не могли не привести к открытию некоторых присущих ему свойств. Поэтому рассматриваемый период в истории электричества характеризуется главным образом обнаружением и изучением различных действий электрического тока. Исследования электрического тока, производившиеся в большом масштабе в первые годы XIX в., привели к открытию химических, тепловых, световых и магнитных его действий.

В марте 1800 г. Вольта сообщил о своих работах президенту Лондонского королевского общества, и вскоре члены этого общества Карлейль и Никольсон произвели ряд опытов с вольтовым столбом, которые привели их к открытию нового явления: при прохождении тока через воду имело место выделение газовых пузырьков; исследовав выделявшиеся газы, они правильно установили, что это кислород и водород. Таким образом, впервые был осуществлен электролиз воды. Вскоре после опубликования работ Карлейля и Никольсона (июль 1800 г.) появилась в немецком научном журнале «Annalen der Physik» статья немецкого физика И. Риттера, также осуществившего разложение воды током. После открытия действия тока на воду ряд ученых заинтересовался вопросом о том, к каким результатам приведет пропускание тока через другие жидкости. В том же 1800 г. голландский химик Крейкшенк, пропуская ток через раствор поваренной соли, получил на отрицательном полюсе едкий натр, не подозревая, что здесь имела место вторичная реакция: поваренная соль разлагалась на Na и С1, причем натрий, жадно соединяясь с водой, образовывал едкий натр.

Указанные эксперименты положили начало исследованию химических действий гальванического тока, получивших впоследствии важное практическое применение.

Тепловые действия тока были обнаружены в накаливании тонких металлических проводников и воспламенении посредством искр легко воспламеняющихся веществ. Световые явления наблюдались в виде искр различной длины и яркости.

В 1802 г. итальянский физик Романьози обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводнику, вызывает отклонение свободно вращающейся магнитной стрелки, находящейся вблизи этого проводника. Однако тогда, в первые годы изучения электрического тока, явление, открытое Романьози, имевшее, как впоследствии выяснилось, громадное значение, не получило должной оценки. Только позднее, в 1820 г., когда наука об электричестве достигла более высокого уровня, магнитное действие тока, описанное Эрстедом, стало предметом глубокого и всестороннего изучения.

Среди многочисленных исследований явлений электрического тока, произведенных в первые годы после построения вольтова столба, наиболее выдающимися были труды академика В. В. Петрова, так как в них впервые была показана и доказана возможность практических применений электричества.

В своих трудах по электричеству Петров собрал обширный опытный материал, который им был тщательно проанализирован. Петров глубоко понимал значение эксперимента для всестороннего изучения явлений природы. Он писал: «...гораздо надежнее искать настоящего источника электрических явлений не в умствованиях, к которым доселе только прибегали почти все физики, но в непосредственных следствиях самих опытов».

Будучи хорошо знакомым с опытами, производящимися с вольтовым столбом как в России, так и за границей, Петров пришел к правильному выводу о том, что наиболее полное и всестороннее изучение гальванических явлений возможно только при условии создания большой батареи, т. е. по современной терминологии – источника тока высокого напряжения. Поэтому он добивается перед руководством Медико-хирургической академии, профессором физики которой он состоял, выделения средств для постройки «такой огромной величины батареи, чтобы оною можно было надежнее производить такие новые опыты», каких не производил никто из физиков.

В

Рис. 1.3. Схема расположения и соединения элементов в батарее Петрова: 1 – деревянный ящик; 2 – медный кружок; 3 – цинковый кружок; 4 – прокладка; 5 – медные дужки

апреле 1802 г. батарея В. В. Петрова, состоявшая из 4200 медных и цинковых кружков или 2100 медно-цинковых элементов (Петров называл ее «огромная наипаче батарея»), была готова. Она располагалась в большом деревянном ящике, разделенном по длине на четыре отделения (рис. 1.3). Стенки ящика и разделяющих перегородок были покрыты сургучным лаком. Общая длина гальванической батареи Петрова составляла 12 м – это был крупнейший в мире источник электрического тока. Как показали современные экспериментальные исследования с моделью батареи Петрова, электродвижущая сила этой батареи составляла около 1700 В, а максимальная полезная мощность 60 – 85 Вт. Ток короткого замыкания батареи не превышал 0,1 – 0,2 А. В. В. Петров вначале производил, как он указывал, уже известные опыты других физиков, а после старался производить и такие опыты, «...о которых дотоле не имел... никакого известия».

Свои разнообразные опыты Петров подробно описал в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах», которая вышла в СПБ в 1803 г. (рис. 1.4). Это была первая книга на русском языке, посвященная исследованиям в области гальванизма.

Следует отметить, что и за границей не только до выхода в свет книги Петрова, но и в течение двух ближайших десятилетий не появилось ни одного оригинального сочинения, в котором были бы с такой полнотой освещены явления электрического тока.

Петрову было хорошо известно, с каким интересом относятся в России к изучению явлений электрического тока. Поэтому он в своей книге подробно описал не только опыты с гальванической батареей, но и способы ее изготовления, ухода за ней, методику экспериментов и т. п.

В книге Петрова изложены его опыты по электролизу различных жидкостей, исследованию явлений прохождения электрического тока в разреженном воздухе, наблюдению «светоносных» явлений, сопровождающих действие электрического тока, изучению тепловых действий тока.

Петров произвел всесторонние исследования свойств созданной им батареи как источника электрического тока. Опираясь на результаты опытов, он подошел к пониманию того, что действие батареи основано на химических процессах, происходящих в гальваническом элементе медь – цинк, и впервые правильно установил роль крайних металлических кружков, которые служили лишь проводниками электричества. Петров также верно указал на то, что окисление поверхности металлических кружков вызывает ослабление действия батареи. Эти выводы Петрова по существу опровергали «контактную» теорию электричества, однако сам Петров не выступал с таким опровержением.

Рис. 1.4. Титульный лист книги Петрова «Известие о гальвани-вольтовских опытах»

Петровым была впервые установлена важнейшая закономерность в электрической цели – зависимость тока в проводнике от площади поперечного сечения проводника, Он правильно указал на то, что при увеличении сечения проводника ток в нем возрастает. Поэтому Петров является самым ранним среди предшественников Ома, сформулировавшего в 1827 г. известный закон, носящий его имя. Петров установил, что через вещества, обладающие большим сопротивлением, гальвани-вольтовская жидкость (так он называл электрический ток) может протекать лишь тогда, когда «количество ее весьма знатно увеличится», т. е. по современной терминологии при повышении напряжения в цепи.

Наибольший интерес из всех работ Петрова представляет открытие им в 1802 г. явления электрической дуги «между двумя угольными электродами, соединенными с полюсами созданного им источника высокого напряжения. Создание им источника высокого напряжения явилось необходимым условием для получения устойчивой электрической дуги при небольших токах. Указывая на возможность широкого практического применения электрической дуги, Петров писал, что пламенем дуги «темный покой довольно ясно освещен быть может», что в пламени дуги различные «металлы иногда мгновенно расплавляются, сгорают...», что «посредством огня» дуги он превращал окислы различных металлов в «металлический вид». Следовательно, опыты Петрова давали прямое указание на возможность применения электричества для целей освещения, плавки металлов и восстановления металлов из их окислов.

До В. B. Петрова никто так ясно и четко не указывал на возможность практического применения электричества. Поэтому В. В. Петров является одним из основоположников электротехники.

До Петрова физики не могли наблюдать явления дуги, так как они употребляли небольшие гальванические батареи, состоявшие большей частью из 100 – 200 элементов; э. д. с. таких батарей были недостаточны для получения устойчивой дуги при огромных внутренних сопротивлениях батарей того времени. Известному английскому ученому X. Дэви удалось получить электрическую дугу только в 1808 г., когда им была построена большая гальваническая батарея, состоявшая из 12000 элементов. Подробное описание явления электрической дуги Дэви дал в 1812 г., при этом он сам ни в какой степени не претендовал на первенство в открытии этого явления.

В. В. Петровым было положено начало всестороннему исследованию явлений электрического разряда в вакууме (рис. 1.5). Он установил зависимость этих явлений от материала, формы и полярности электродов, расстояния между ними и степени вакуума. Позднее эти выводы получили подтверждение и развитие в трудах других ученых, в частности М. Фарадея.

Пропуская электрический ток через разные жидкости и тела, Петров внимательно исследовал влияние материала и формы электродов на протекающие процессы; он применял самые разнообразные электроды: железные, серебряные, медные, оловянные, золотые, древесноугольные, графитовые, марганцевые и др. Петровым была правильно определена степень электропроводности некоторых веществ (древесного угля, льда, серы, фосфора, растительных масел) и выявлены их физико-химические свойства.

Петров впервые применил параллельное соединение электродов для демонстрации явления электролиза в нескольких трубках с водой, происходящего одновременно при пропускании электрического тока через жидкости (рис. 1.6).

Работа Петрова с источником тока высокого напряжения неизбежно привела его к выводу о важном значении изоляции проводов; им было предложено изготовлять электрические проводники, покрытые сургучом или воском. Разработанный Петровым принцип изоляции проволочных проводников, заключающийся в покрытии их поверхности изолирующим слоем, нашел дальнейшее развитие в производстве кабельных изделий. Петров пришел к правильному выводу о высоких электроизоляционных свойствах жирных (растительных) масел.

Рис. 1.5. Схема опыта Петрова по наблюдению электрического разряда в вакууме

Рис. 1.6. Схема параллельного соединения электродов, предложенная Петровым


Петров явился одним из первых физиков, высказавших правильный взгляд об общности и различии в проявлениях статического и гальванического электричества. Он сделал попытку выяснить сущность электрических явлений, установить причины образования электричества, однако при современном ему состоянии науки такую задачу решить было невозможно. Заслуживает внимания мысль Петрова о том, что электрические явления обусловлены определенными физико-химическими процессами.

Труды Петрова были хорошо известны его современникам и изучались русскими физиками первой трети XIX в. Широкое распространение трудов Петрова в России оказало большое влияние на развитие науки об электричестве, на расширение практических применений электричества. Среди учеников Петрова были талантливый физик и химик С. П. Власов, академик И. X. Гамель, профессор И. Е. Грузинов, С. В. Большой и др.

Первые электрохимические опыты, произведенные вскоре после изобретения вольтова столба, вызвали значительный интерес к этим вопросам. Специальному исследованию электрохимических явлений были посвящены труды английского ученого X. Дэви, имевшие важное значение для практики. Дэви доказал своими опытами несостоятельность мнений, господствовавших в то время среди ученых, что при электролизе воды на одном полюсе получается кислота, а на другом основание. Он показал, что кислоты и основания, получаемые при электролизе, являются продуктами последующих вторичных реакций. Повторив опыты разложения воды в разных условиях (стеклянные, агатовые и золотые сосуды; в воздухе и в атмосфере водорода), Дэви доказал, что пресная вода разлагается при электролизе только на кислород и водород, причем объем водорода, образующегося при этом, вдвое больше объема кислорода. Он установил, что химически чистая вода не поддается электролизу и что электрический ток только разлагает соединения, но не создает никаких новых соединений. Дэви одним из первых высказал правильные взгляды на то, что электрический ток, полученный от вольтова столба, возникает в результате химических процессов между металлами и электролитом.

В 1807 г. Дэви впервые получил электролитическим путем щелочные элементы калий и натрий, ранее не известные в чистом виде; в 1808 г. им были также получены магний, бор, барий, стронций и кальций. Эти открытия наглядно иллюстрировали практическую ценность электролиза и еще больше усилили интерес ученых к химическим действиям тока.

В

Хемфри Дэви

(1778 – 1829)

1802 – 1807 гг. ряду ученых, в том числе профессору Московского университета П. И. Страхову, удалось установить опытным путем, что земля и вода являются проводниками тока (рис. 1.7). Этим открытием была создана возможность применения земли и воды в качестве обратного (второго) провода при осуществлении установок и устройств для передачи электрического тока от генератора к приемникам.

В 1807 г. профессор Московского университета Ф. Ф. Рейс обнаружил явление, получившее впоследствии название электроосмоса. Явление электроосмоса Рейс обнаружил при следующем опыте (рис. 1.8): в стеклянную U-образную трубку диаметром около 1 см и общей длиной 18 см была залита вода, а самый изгиб трубки заполнялся порошкообразным нерастворимым веществом (тертым камнем или песком), так что между обоими коленами трубки получалась пористая перегородка. В колена трубки вводились платиновые электроды и погружались в воду. После присоединения этих электродов к полюсам вольтова столба около них начинались появляться пузырьки газов в результате разложения воды на кислород и водород. При этом вода начинала сразу подниматься в колене, соединенном с отрицательным полюсом столба, и опускаться в другом колене, проходя под действием тока с

Рис. 1.7. Схема опыта Страхова

Рис. 1.8. Схема опыта Рейса

квозь пористую перегородку. При отключении вольтова столба вода вновь устанавливалась на прежнем уровне. В своих выводах из этих опытов Рейс указывает, что под действием электричества жидкость может переноситься сквозь пористые тела. Явление электрооомоса в современной технике получило практическое применение, в частности при осушке намывных плотин (электродренаж).

Широкое применение вольтовых столбов и других источников электрического тока не могло не усилить интереса к вопросу о том, в результате каких действий в них появляется электрический ток. Все яснее становилось, что химические явления в гальванических элементах являются первичными, а появление тока есть их следствие, т. е. явление вторичное. Контактная теория Вольта становилась малоубедительной, и ей все энергичнее стала противопоставляться химическая теория гальванизма, согласно которой возникновение электричества определяется химическими процессами. Эта теория впервые наиболее четко была разработана Г. Парротом, считавшим, что явления в вольтовом столбе и других гальванических элементах происходят исключительно за счет окисления металлов, т. е. за счет изменения одного из веществ элемента. М. Фарадей также выступал против контактной теории электричества, указывая, что нет такого случая, даже при ударах электрического угря и ската, когда электричество получалось бы без затраты какого-либо другого вида энергии.

1.4. Изучение действия электрического тока на магнитную стрелку. Разработка основ электродинамики

Расширение и углубление исследований электрических явлений привели к открытию и изучению новых свойств электрического тока.

В 1820 г. были опубликованы и продемонстрированы опыты датского физика Эрстеда по наблюдению действия тока на магнитную стрелку, возбудившие большой интерес среди ученых разных стран и получившие в их трудах дальнейшие углубление и развитие.

В этом же 1820 г. Араго было обнаружено новое явление – намагничивание проводника протекающим по нему током. Если медная проволока, соединенная с полюсами вольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к ней приставали; при выключении тока опилки отставали. Когда Араго брал вместо медной проволоки железную (из мягкого железа), то она временно намагничивалась; кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом. По рекомендации Ампера Араго заменил прямолинейную проволоку проволочной спиралью, при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, усиливалось. Так был создан соленоид. Опыты Араго дали первое указание на электрическую природу магнетизма и показали возможность намагничивания стали электрическим током.

В процессе своих исследований Араго обнаружил (в 1824 г.) еще одно новое явление, названное им магнетизмом вращения и заключавшееся в том, что при вращении металлической пластины, находящейся над магнитной стрелкой (или под ней), последняя также приходит во вращение. Однако правильное объяснение этого явления было дано Фарадеем только после открытия явления электромагнитной индукции.

Новым шагом от качественных наблюдений действия тока на магнит к определению количественных зависимостей явилось установление французскими учеными Био и Саваром закона действия тока на магнит. Пользуясь опытным методом, они установили в 1820 г. следующее: «если неограниченной длины провод с проходящим по нему вольтовым током действует на частицу северного или южного магнетизма, находящуюся на известном расстоянии от средины провода, то равнодействующая всех сил, исходящих из провода, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию частицы от провода, и общее действие провода на любой – южный или северный – магнитный элемент обратно пропорционально расстоянию последнего до провода».

Французский ученый Лаплас показал впоследствии, что сила действия, создаваемая небольшим участком проводника, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.

Важное научное и методологическое значение в расширении исследования новых явлений имели труды одного из крупнейших французских ученых – Ампера, заложившие основы электродинамики. Ампером был впервые предложен термин «электрический ток» и введено в науку понятие о направлении электрического тока: он предложил считать за направление тока направление движения положительного электричества.

Наблюдая отклонение магнитной стрелки под влиянием протекающего по проводнику тока, Ампер сумел сформулировать правило, позволяющее определить направление отклонения стрелки в зависимости от направления тока в проводнике. Это правило было в то время широко известно под названием «правила пловца» и формулировалось оно следующим образом: «Если мысленно расположиться человеку так, чтобы ток проходил по направлению от ног наблюдателя к голове и чтобы лицо его было обращено к магнитной стрелке, то под влиянием тока северный полюс магнитной стрелки всегда будет отклоняться влево».

О

Андре Мари Ампер

(1775 – 1836)

собенно важное значение имели исследования Ампером взаимодействий круговых и линейных токов. К этим исследованиям он подошел, основываясь на следующих рассуждениях:

если магнит по своим свойствам аналогичен катушке или кольцевому проводнику, обтекаемым током, то два круговых тока должны действовать друг на друга подобно двум магнитам.

Рис. 1.9. «Станок Ампера» для демонстрации действия прямолинейных токов: 1 – подвижная рамка; 2 – неподвижный проводник

Открыв взаимодействие круговых токов, Ампер начал исследование взаимодействия линейных токов. С этой целью он построил так называемый «станок Ампера» (рис. 1.9), в котором один проводник мог изменять положение относительно другого проводника. В ходе этих опытов было установлено, что два линейных тока притягивают или отталкивают друг друга в зависимости от того, имеют ли токи одинаковое направление или различное. Серия опытов этого рода позволила Амперу открыть закон взаимодействия линейных токов: «два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются, между тем как два параллельных и противоположно направленных тока взаимно отталкиваются». Обнаруженные явления Ампер предложил назвать «электродинамическими» в отличие от электростатических явлений.

Обобщая результаты своих экспериментальных работ, Ампер установил математическое выражение количественных соотношений взаимодействующих токов подобно тому, как это сделал Кулон по отношению к взаимодействию статических зарядов. Эту задачу Ампер решил аналитическим приемом, исходя из принципов Ньютона о взаимодействии масс и уподобляя этим массам два элемента тока, произвольно расположенных в пространстве. При этом Ампер предположил, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, соединяющей середины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов тока и самим токам.

Электродинамическая теория Ампера изложена им в сочинении «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», изданном в Париже в 1826 – 1827 гг. Математическое выражение закона взаимодействия между двумя элементами тока (рис. 6.10) было выведено Ампером в следующем виде:

,

где dF – сила взаимодействия;

– токи и элементы цепи;

r – расстояние между элементами;

ε – угол между элементами;

– углы, образуемые элементами с прямой, соединяющей их середины.

Уравнение Ампера и современное уравнение взаимодействия электрических токов дают один и тот же результат для замкнутых токов, хотя для элементов проводников оно и неверно.

Опираясь на труды предшественников, а также на важные результаты своих исследований, Ампер пришел к принципиально новому выводу о причине явлений магнетизма. Отрицая существование особых магнитных жидкостей, Ампер утверждал, что магнитное поле имеет электрическое происхождение; все магнитные явления сводились им к «чисто электрическим действиям». Основываясь на тождестве действия круговых токов магнитов, Ампер пришел к выводу о том, что магнетизм какой-либо частицы обусловлен наличием круговых токов в этой частице, а свойства магнита в целом обусловлены электрическими токами, расположенными в плоскостях, перпендикулярных к его оси. Ампер подчеркивал, что «...эти токи вокруг оси магнита реально существуют, или, скорее, что намагничивание является операцией, посредством которой частицам стало сообщаться свойство возбуждать для этих токов такое же электродвижущее действие, какое имеется в .вольтовом столбе… Магнитные явления вызываются исключительно электричеством… нет никакой разницы между двумя полюсами магнита, как их положение относительно токов, из которых этот магнит состоит». Разработанная Ампером гипотеза молекулярных круговых токов явилась новым прогрессивным шагом на пути к трактовке природы магнитных явлений.

А

Рис. 1.10. К выводу Ампером математической зависимости силы взаимодействия двух элементов тока

мпером в 1820 г. была высказана мысль о возможности создания электромагнитного телеграфа, основанного на взаимодействии проводника с током и магнитной стрелки. Однако Ампер предлагал взять «...столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв..., помещая каждую букву на отдельной стрелке». Очевидно, что подобная конструкция телеграфа была бы весьма громоздкой и дорогой, что, по-видимому, помешало практической реализации предложения Ампера. Потребовалось некоторое время для того, чтобы найти более реальный путь создания телеграфа.

Значение работ Ампера для науки было весьма велико. Своими исследованиями Ампер доказал единство электричества и магнетизма и нанес решительный удар царившим до него представлениям о магнитной жидкости. Установленные им законы механического взаимодействия электрических токов принадлежат к числу крупнейших открытий в области электричества.

О

Майкл Фарадей

(1791 – 1867)

ткрытия в области электромагнетизма побудило многих ученых и в том числе М. Фарадея обратиться к исследованию этого явления. Многочисленные эксперименты Фарадея по исследованию взаимодействия проводников с током и магнитов привели его в 1821 г. к открытию явления взаимного вращения магнитов и электрических токов. Он наблюдал, что электрический ток, проходящий по проволоке и проявляющий магнитное действие под прямым углом к направлению тока, может заставить эту проволоку совершать вращение вокруг магнита или может заставить магнит вращаться вокруг проволоки. Устройство, которое применил Фарадей для демонстрации этих действий, было таково (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Схема установки Фарадея для демонстрации электромагнитного вращения

Он брал две чашки 1 и 2 с отверстиями в дне для ввода проводников 5 и 6 от батареи; в чашки он наливал ртуть и помещал магниты 3 и 4, из которых первый был подвижным и прикреплялся при помощи нитки к вводной проволоке так, что мог плавать в ртути в положении, близком к отвесному, а его верхушка, выходившая из ртути наружу, могла вращаться вокруг вертикальной оси чашки L. Второй магнит укреплялся неподвижно в вертикальном положении в чашке 2. Между обеими чашками Фарадей помещал медный стержень 7 с отогнутыми концами, из которых один 8 был неподвижен и погружался в ртуть по оси чашки, а ко второму прикреплялся посредством металлической нити подвижной стержень 9 опущенный в ртуть чашки 2. При пропускании тока через цепь начиналось вращение магнита 3 вокруг стержня 5, а стержня 9 – вокруг магнита 4. Этот опыт впервые демонстрировал возможность непрерывного превращения электрической энергии в механическую и являлся наглядной иллюстрацией принципиальной возможности построения электродвигателя.

1.5. Установление законов электрической цепи

По мере углубления исследований электрического тока подготавливаются условия для перехода от качественных наблюдений явлений в электрической цепи к установлению некоторых количественных отношений.

Как уже отмечалось, еще В. В. Петров в начале XIX в. указал на связь между сечением проводника и протекающим по нему током. В 1821 г. Дэви установил, что проводимость проводника зависит от материала и температуры; он также пришел к выводу о зависимости проводимости от площади сечения проводника. Более глубоко эти явления были исследованы немецким физиком Г. С. Омом.

Первый этап исследований Ома относился к изучению проводимости проводника, по которому проходит ток. Для этих целей Ом устроил прибор, подобный крутильным весам Кулона; на них (вместо бузиновых шариков, имеющихся в приборе Кулона) была подвешена магнитная стрелка. По углу кручения нити можно было судить о токе, действующем на стрелку. Помещая магнитную стрелку прибора над проводником, расположенным в направлении магнитного меридиана, Ом установил, что угол кручения нити, характеризующий отклоняющее действие тока, оставался постоянным. На основании этих опытов он пришел к выводу о том, что ток в различных участках цепи остается постоянным. Последующими опытами Ом установил, что ток в проводнике прямо пропорционален площади поперечного сечения проводника и обратно пропорционален его длине.

Р

Георг Симон Ом

(1787 – 1854)

езультаты исследований Ома были опубликованы им в 1827 г. в работе «Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Г. С. Омом».

Исследуя закономерности в электрической цепи, Ом впервые проводит аналогию между движением электричества и тепловым или водяным потоком, при этом разность потенциалов играет роль падения температур или разности уровней. Свой закон Ом сформулировал следующим образом: «Величина тока гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна длине цепи».

О

Густав Роберт Кирхгоф

(1824 – 1887)

днако закон Ома, несмотря на его многократную проверку, не сразу был признан справедливым. В 1832 г. академик. Э. X. Ленц показал, что закон Ома справедлив и для цепей с индукционными токами. Таким образом, Ленц расширил рамки применимости закона Ома и своими трудами много содействовал тому, что с 40-х годов этот закон получает признание и широко применяется в научных исследованиях и на практике в случаях, когда источник электродвижущей силы питает неразветвленную электрическую цепь.

Между тем на практике нередко приходится применять разветвленные электрические цепи, соединяя в некоторых точках цепи два и более проводников, имеющих различные сопротивления; в этих точках цепи электрический ток разветвляется. В 1847 г. немецкий физик Г. Р. Кирхгоф сформулировал законы, устанавливающие связь между электродвижущими силами, введенными в цепь, токами и сопротивлениями, которые неодинаковы в разных ветвях сложной цепи.

1.6. Первые электрические приборы и устройства

Отклонение магнитной стрелки электрическим током было положено в основу принципа действия первых электроизмерительных приборов.

Вскоре после опубликования брошюры Эрстеда немецкий физик Швейггер обнаружил (1820 г.) усилие действия тока на магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из нескольких витков проволоки с током. Это устройство получило практическое применение для обнаружения электрического тока в проводнике и получило название мультипликатора (рис. 1.12).

О

Рис. 1.12. Схема мультипликатора

днако вследствие влияния земного магнетизма на магнитную стрелку мультипликатора его показания были неточными. Ампер в 1821 г. показал возможность устранения влияния земного магнетизма с помощью астатической пары, представляющей собой две магнитные стрелки, укрепленные на общей медной оси и расположенные параллельно друг другу, с полюсами, обращенными в противоположные стороны. В 1825 г. флорентийский профессор Нобили скомбинировал астатическую пару с мультипликатором и устроил таким образом более чувствительный прибор – прообраз гальванометра.

Рис. 1.13. Первые электромагниты Стерджена: 1 – чашечки со ртутью, заменяющие зажимы

Исследование явлений намагничивания железных тел, окруженных спиралью, обтекаемой током, привело в 1825 г. к построению англичанином В. Стердженом первого электромагнита. Этот электромагнит (рис. 1.13) представлял собой стержень из мягкого железа длиной около 30 см и диаметром 12 мм, покрытый лаком; поверх лака располагалась обмотка из 18 витков толстой медной (неизолированной) проволоки. Значительная толщина проволоки создавала возможность иметь большой ток в обмотке. Электромагнит мог удерживать груз около 4 кг. Стерджен установил, что полярность концов железного стержня .меняется при перемене направления тока в обмотке.

Опыты Стерджена были продолжены многими учеными. Вскоре электромагнит получил широкое применение в различных электрических приборах и устройствах.

1.7. Первые опыты применения электрического тока

П

А. Т. Болотов

(1738 – 1833)

Павел Львович Шиллинг

(1786 – 1837)

ервое практическое применение электрический ток нашел в области медицины. Применение электричества (статического) для лечебных целей получило распространение еще до открытия явлений электрического тока, и в разных странах был накоплен опыт в области электролечения. В качестве примера можно привести работы русского ученого А. Т. Болотова, посвятившего вопросам применения электричества для лечебных целей ряд своих сочинений, среди которых наибольший интерес представляет обширный труд «Краткие и на опытности основанныя замечания о електрицизме и о способности електрических махин к помоганию от разных болезней», СПБ, 1803, (рис. 1.14). В этом сочинении описаны различные электростатические машины, созданные Болотовым, и отмечается целесообразность применения электричества в медицине. Болотовым была организована своеобразная электролечебница, через которую в течение 2 лет прошло более 1500 больных.

Изобретение вольтова столба привело к установлению возможности применения электрического тока для лечебных целей, к зарождению гальванотерапии. Большое внимание этим вопросам уделял В. В. Петров, который преподавал физику в Медико-хирургической академии. Применение электрического тока в медицине способствовало усилению интереса к его изучению, содействовало углублению познания свойств электричества.

Среди первых практических применений электричества большое значение для развития электротехники имело применение электричества в военном деле и прежде всего для воспламенения пороховых зарядов. Существовавшие ранее пиротехнические методы воспламенения страдали рядом существенных недостатков, в особенности в случае применения их для взрыва подводных мин.

Первые попытки применения электричества для воспламенения подводных мин относятся к самому началу XIX в., но только в 1812 г. П. Л. Шиллингу удалось решить эту проблему. Им был создан хорошо изолированный проводник – первый подводный электрический кабель и специальное приспособление для воспламенения порохового заряда – электрический запал. Как указывает И. X. Гамель, специально изучавший документы о работах Шиллинга по электровзрыванию, запал Шиллинга воспламенял пороховой заряд «посредством гальванической искры».

Рис. 1.14. Титульный лист книги Болотова

Запал Шиллинга получил высокую оценку со стороны академика Б. С. Якоби, отмечавшего, что «...Шиллинг первый оказал великую услугу, дав уголькам такую форму и устройство, что они могут быть употреблены для этой цели. Весьма остроумное его изобретение относительно установки угольков доставило возможность воспламенять порох почти на всяком произвольном расстоянии, что прежде даже теоретически считалось невозможным. Способ этот совершенно неизвестен за границей...».

Свои опыты над созданием хорошо изолированного проводника Шиллинг закончил в 1811 г. Проводник представлял собой тонкую проволоку, изолированную двумя слоями изоляции: первый слой – шелк, после обвивки слоем шелка проволока пропускалась через специальный смолистый состав; затем все это обвивалось слоем пеньки и вторично пропускалось через тот же смолистый состав.

На основании документальных данных, приведенных И. Гамелем, можно утверждать, что в октябре 1812 г. Шиллинг успешно взрывал на Неве подводные мины с помощью разработанного им электрического запала.

Труды Шиллинга положили начало минной электротехнике, которая в нашей стране получила широкое и самобытное развитие, в частности, благодаря деятельности Б. С. Якоби, М. М. Борескова, В. С. Сергеева и др. Развитие военной электротехники оказало большое влияние на электротехнику вообще, вызвав необходимость создания более совершенных источников тока (например, магнитоэлектрическая взрывная машина (генератор) Б. С. Якоби) и специальных изолированных проводников.

1.8. Краткое заключение

1. Рассматриваемый период в истории науки об электричестве характеризуется главным образом открытием и изучением свойств электрического тока, получение которого стало возможным в результате изобретения вольтова столба (1800 г.).

  1. В течение первой четверти XIX в. были обнаружены химические, тепловые, световые и магнитные действия тока и положено начало их исследованию.

  2. Начало изучению химических действий тока было положено в 1800 г. электролизом воды. Тепловые и световые действия тока (накаливание током проволоки, электрические искры и т. п.) наблюдались многочисленными исследователями.

  3. Наиболее глубокие исследования тепловых, световых и химических действий тока были произведены академиком В. В. Петровым, построившим крупнейший для своего времени источник тока, открывшим явление электрической дуги (1802 г.) и показавшим возможность практического применения дуги для целей освещения, плавки металлов и др. В. В. Петровым впервые была установлена зависимость тока от площади поперечного сечения проводника, разработан принцип изоляции проволочных проводников и др. Трудами В. В. Петрова были заложены основы новой области знаний – электротехники.

  4. Важное значение для развития учения об электрическом токе и расширения области его практических применений имели электрохимические исследования, приведшие к получению путем электролиза в чистом виде щелочных металлов калия и натрия, открытию явления электроосмоса, установлению электропроводности земли и воды.

  5. Расширение электрохимических исследований привело к необходимости разработки теории электрохимических процессов; уже в начале XIX в. создается первая ионная теория электролиза.

  6. Обнаружение магнитных действий тока (1820 г.) положило начало развитию электромагнетизма. Исследования магнитных проявлений тока привели к разработке Ампером (1820 г.) начал электродинамики, к формированию более прогрессивных воззрений на природу магнетизма. Открытие взаимодействия токов и магнитов являлось предпосылкой к построению электродвигателя.

  7. Углубление и расширение исследований электрического тока подготовили условия для перехода от качественных наблюдений к установлению некоторых количественных закономерностей в электрической цепи. Основополагающее значение в развитии учения об электрическом токе сыграли законы Ома (1827 г.) и Кирхгофа (1847 г.).

  8. Изучение магнитных действий тока приводит к построению электромагнита (1825 г.) и первого прибора для обнаружения электрического тока – мультипликатора (1820 г). Отклонение магнитной стрелки током было положено в основу принципа действия первых электроизмерительных приборов.

  9. Применение электрического тока для лечебных целей и, в особенности, в военном деле способствовало развитию теоретических исследований в области электричества и расширению его практических применений: создаются первые изолированные проводники для подвода тока под водой, разрабатываются специальные электрические генераторы («взрывные машины»).

  10. Важнейшее значение открытий и изобретений в области электричества и магнетизма, произведенных в первой четверти XIX в., заключается в том, что они подготовили почву для открытия явления электромагнитной индукции и последующего бурного развития электротехники.

2. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ И РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ДО 70-х ГОДОВ XIX в.

2.1. Открытие явления электромагнитной индукции

Новый и чрезвычайно важный период в истории развития электричества и магнетизма начался после открытия явления электромагнитной индукции (1831 г.). Этот период охватывает около 40 лет развития научной и технической мысли и характеризуется не только громадными достижениями в области науки об электричестве и магнетизме, но и ростом практических применений электричества. Важнейшей научно-теоретической базой дальнейшего развития естествознания стал закон сохранения и превращения энергии. Этот основной закон естествознания мог быть сформулирован только на основе многочисленных предшествовавших достижений физики, химии и других наук. Данные естествознания нового времени показали несостоятельность и недостаточность механистического (механического) материализма. На основе этих новых данных возникло и новое мировоззрение. Этот революционный переворот в мировоззрении явился самым значительным итогом развития науки в рассматриваемый период.

В подготовке закона сохранения и превращения энергии немалую роль сыграло развитие учения об электромагнетизме.

Созданием основ электродинамики была убедительно доказана связь между электрическими и магнитными явлениями. Но эта связь была показана как односторонний процесс; было установлено, что при протекании электрического тока по проводнику вокруг последнего обнаруживаются магнитные действия, проявляющиеся в притяжениях и отталкиваниях стальных предметов, постоянных магнитов или проводников с током. К 20-м годам XIX в. наука и практика убедительно подтвердили закономерность взаимного превращения различных форм энергии – тепловой и механической, электрической и тепловой, химической и электрической. Таким образом, к этому времени наука оказалась подготовленной к тому, чтобы поставить на разрешение задачу нахождения связи обратного характера, т. е. доказательства того, что при определенных условиях механическая энергия может быть превращена в электрическую. Эта проблема нашла свое решение с открытием явления электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции впервые было открыто и подробно описано в 1831 г. выдающимся английским ученым Майклом Фарадеем. Основываясь на открытиях взаимопревращений различных форм энергии, Фарадей пришел к правильному выводу о возможности превращения механической энергии в электрическую. Эту задачу он сформулировал в 1821 г. в своем дневнике следующими словами: «превратить магнетизм в электричество». Фарадей был совершенно уверен в двухсторонней связи этих явлений, но этот факт нужно было доказать экспериментально. В течение последующих лет Фарадей непрерывно производил эксперименты и, наконец, во второй половине 1831 г. он показал, что такое превращение возможно. Эти опыты привели его к открытию «магнитоэлектричества», или индукционного электричества, тождественного по своим свойствам и действиям с гальваническим электричеством, «простым» (т. е. статическим) электричеством и термоэлектричеством. Фарадей вел весьма подробную и точную запись всех своих опытов и работ над превращением магнетизма в электричество; эти материалы включены в большой труд Фарадея, опубликованный под названием «Экспериментальные исследования по электричеству». О результатах этих своих работ Фарадей доложил на заседании Королевского Общества в Лондоне 24 «ноября 1831 г.

Описанию этих опытов посвящена 1-я серия «Экспериментальных исследований по электричеству», в которой показано последовательное развитие экспериментов Фарадея, приведших его в течение августа – сентября 1831 г. к открытию явления электромагнитной индукции. В разделе 1 этой серии, озаглавленном «Индукция электрических токов», Фарадей описывает опыты, показавшие возможность индукции тока током; это явление Фарадей назвал «вольтаэлектрической индукцией». Эксперименты Фарадея последовательно развивались следующим образом.

I. На деревянный цилиндр (рис. 2.1, а) или барабан наматывались две изолированные друг от друга медные проволоки 1 и 2; первая из них соединялась с источником электрического тока 3, а другая – с гальванометром 5; в цепь, в которую включена обмотка 1, вводился прерыватель 4. При замыкании контакта 4 наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр: его стрелка отклонялась в одну сторону. В дальнейшем при непрерывном прохождении тока отклонения стрелки не наблюдалось. Аналогичное явление можно было наблюдать при размыкании цепи, питающей обмотку 1: стрелка в момент размыкания отклонялась, но в противоположную сторону, затем возвращалась в начальное положение и оставалась в покое все время, пока цепь была разомкнута. Результаты этих опытов Фарадей рассматривал как индукцию тока током, но считал индуктированный ток весьма кратковременным, длящимся всего один момент и по своей природе больше напоминающим «электрическую волну, возникающую при разряде обыкновенной лейденской банки», чем ток гальванической батареи. Фарадей полагал, что этот кратковременный индуктированный ток должен обладать способностью намагнитить стальную иглу, хотя его действие на стрелку гальванометра едва заметно.

II. Для проверки этих соображений Фарадей поставил опыт по другой схеме (рис. 2.1, б), которая отличалась тем, что в цепь 2 вместо гальвано-метра включалась небольшая полая спираль 6, намотанная на стеклянную трубку 7, внутрь которой можно было вводить стальную иглу 8. Игла вставлялась внутрь спирали, и ток в цепи 1 замыкался; не размыкая этой цепи, Фарадей вынимал иглу и обнаруживал, что она оказывалась намагниченной. Если в этой схеме сначала замкнуть цепь 1 и пропустить ток, а после этого ввести не намагниченную иглу внутрь спирали и затем разомкнуть контакт 4, то игла, как и в первом случае, оказывается намагниченной, но полярность ее будет противоположной. Этот опыт устранил всякие сомнения в том, что при включении и выключении тока, питающего цепь 1, в цепи 2 наводится электрический ток, обладающий такими же свойствами, как и ток индуктирующий. Кратковременность наводимого тока вначале не позволяла Фарадею обнаруживать некоторые другие действия, например электрохимические или тепловые.

Рис. 2.1. Схемы основных опытов Фарадея, приведших к открытию явления электромагнитной индукции

III. Следующий опыт проводился так: медная проволока была натянута зигзагом на деревянной доске 9 (рис. 2.1, в); другая медная проволока была натянута такими же зигзагами на второй доске 10; проволока 1 соединялась с источником тока, а проволока 2 – с гальванометром. Питание проволоки 1 током производилось непрерывно, и доски перемещались одна относительно другой. Во время сближения обеих досок с проволоками стрелка гальванометра отклонялась в определенную сторону; при удалении досок друг от друга стрелка отклонялась в другую сторону. Если заставить обе проволоки сближаться, а затем удаляться в такт с колебаниями стрелки, то эти колебания становятся весьма значительными, но по прекращении сближения или удаления досок стрелка быстро возвращается в свое начальное положение. При этом было обнаружено, что при сближении досок наведенный ток имел направление, обратное направлению индуктирующего тока, а при удалении – одинаковое с ним направление.

Эти опыты наглядно подтверждали существование индукции электрических токов, но не заключали возможности получить электрический ток с помощью постоянного магнита, т. е., как говорил Фарадей, превратить магнетизм в электричество. Еще при своих опытах над индукцией электрических токов Фарадей обнаружил, что при замене деревянного барабана железным кольцом (рис. 2.1, г), на которое наматываются две проволоки, эффект отклонения стрелки гальванометра во много раз усиливается.

Следует отметить, что в этих опытах Фарадей применил устройство, которое можно назвать прототипом трансформатора. Дальнейшие опыты Фарадея заключались в следующем.

IV. На картонный цилиндр навивалась медная проволока, концы которой присоединялись к гальванометру 5 (рис. 2.1, д); внутрь спирали по ее оси вводился цилиндр из мягкого железа 11. Два полосовых магнита NS и N'S' были приложены друг к другу разноименными полюсами N' и S, так что получалось некоторое подобие подковообразного магнита; другие два полюса (N и S') прикладывались к концам железного цилиндра так, что он замыкал магнитную цепь. В момент замыкания магнитной цепи стрелка отклонялась, но в дальнейшем при сохранении магнитной цепи в замкнутом состоянии стрелка возвращалась в свое первоначальное положение; при размыкании магнитной цепи она снова отклонялась, но в противоположную сторону, а затем возвращалась в начальное положение. При изменении полярности магнитов направления отклонения стрелки соответственно изменялись на обратные.

Эти опыты непосредственно давали ответ на задачу, которую поставил перед собой Фарадей. Здесь удалось наблюдать появление электрического наведенного тока исключительно в результате действия с постоянными магнитами.

V. Развивая эти исследования, Фарадей заметил, что можно получить явление индукции токов, заменив в предыдущем опыте систему из магнитов и железного сердечника одним магнитом, который может вдвигаться в соленоид или выдвигаться из него (рис. 2.1, е). При перемещении магнита в одном каком-либо направлении стрелка гальванометра 5 отклонялась в одну сторону, при обратном перемещении магнита стрелка отклонялась в другую сторону. В моменты остановки магнита перед переменой направления его движения стрелка гальванометра возвращалась в свое начальное положение.

Не представляло никаких принципиальных трудностей заменить в последнем опыте магнит электромагнитом. Фарадей показал, что если соленоид, по которому проходит обтекаемый ток от гальванического элемента, перемещать внутри другого (коаксиального) соленоида, соединенного с гальванометром, то в цепи этого второго соленоида наводятся ток (рис. 2.1, ж).

Индукцию, которая наблюдается при взаимных перемещениях проводника и магнита, Фарадей назвал «магнитоэлектрической». Однако тут же Фарадей заметил, что принципиальная разница между «вольтаэлектрической» и «магнитоэлектрической» индукцией должна при дальнейшем изучении исчезнуть. Действительно, никакой принципиальной разницы в наблюдавшихся Фарадеем явлениях не было. Все эти явления были впоследствии обобщены одним термином «электромагнитная индукция».

Опыты Фарадея показали, что электромагнитная индукция возникает как в неподвижном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, так и в проводнике, который перемещается в неизменном магнитном поле. Отсюда вытекает, что одним из способов генерирования нового вида электричества, которое было названо магнитоэлектрическом, являлось перемещение проводника в магнитном поле постоянного магнита. Магнитное поле Фарадей представлял себе как совокупность магнитных силовых линий. Если проводник, перемещаясь в магнитном поле, пересекает магнитные силовые линии, то в нем появляется наведенный ток; если проводник перемещается вдоль силовых линий, не пересекая их, то явление индукции не имеет места. В § 114 своих «Экспериментальных исследований по электричеству» Фарадей пользуется представлением о пересечении «магнитных кривых» и дает весьма пространно выраженное частное правило для определения направления наведенного тока, совпадающее с «правилом правой руки».

В ряде своих последующих экспериментов Фарадей делает попытку осуществить наведение тока посредством магнитного поля Земли.

2.2. Объяснение явления Араго и построение первого электромашинного генератора

Опыты над «магнетизмом вращения», которые производил Араго, были повторены рядом ученых. Это явление объясняли наведением в пластине магнетизма; при этом предполагали, что полюс магнита наводит в ближайшей к себе части пластины магнетизм противоположного себе знака, а в остальных местах рассеянную полярность одноименного знака. Считали, что для вращения подвешенного магнита необходимо, чтобы вращающееся под ним вещество приобретало и теряло магнетизм в течение некоторого промежутка времени, и не мгновенно. Следовательно, в данном случае предполагалось, что возникает какая-то притягивающая сила, заставляющая стрелку и диск вращаться в одну и ту же сторону. Против такого объяснения возражали многие, в том числе и Араго, отмечая факт полного отсутствия притяжения, когда магнит и диск находятся в покое, между тем как наведенный магнетизм должен был еще сохраняться.

На основе открытого явления электромагнитной индукции Фарадей сумел дать научное объяснение явлению Араго. Фарадей совершенно правильно указал, что при вращении медного диска в поле постоянного магнита в диске наводятся токи. Эти токи взаимодействуют с магнитом известным из электродинамики образом. Поскольку индукция имеет место только при взаимных перемещениях проводников и магнитов, то становится совершенно ясным, почему медный диск и магнит не взаимодействуют в состоянии покоя.

Ф

Рис. 2.2. Схема однодискового униполярного генератора Фарадея (диск Фарадея)

арадей усмотрел в опыте Араго весьма большие возможности и в § 83 «Экспериментальных исследований по электричеству» отметил, что рассчитывает получить на основе этого опыта новый источник электричества. Таким образом, Фарадей указывает, что этим своим работам он придавал непосредственную практическую направленность в сторону усовершенствования существовавших тогда способов генерирования электрического тока. Для этого Фарадей произвел много опытов с большим магнитом Королевского общества, завершившихся построением первого электромашинного генератора, так называемого «диска Фарадея», при помощи которого можно было непрерывно генерировать электрический ток. Это устройство таково (рис. 2.2): медный диск располагается между полюсами N и S постоянного магнита так, чтобы магнитные линии проходили через диск перпендикулярно к его плоскости. При вращении диска в магнитном поле в нем наводится ток, проходящий в радиальном направлении. Если на периферии диска и на его центральной части поместить токоприемники в виде скользящих контактов (щеток), то между ними при вращении диска появится разность потенциалов. При замыкании цепи между этими токоприемниками на гальванометр можно наблюдать непрерывное прохождение тока. При перемене направления вращения диска стрелка гальванометра также изменяет направление своего отклонения. Это устройство представляет собой униполярную машину постоянного тока и является прототипом генератора постоянного тока.

Кроме того, в опытах Фарадея, как уже отмечалось, был осуществлен принцип трансформации. Таким образом, в работах Фарадея можно усмотреть истоки электромашинного генератора, электрического трансформатора и электродвигателя. Отсюда ясно, какое исключительное основополагающее значение имели работы Фарадея для последующего развития электротехники.

2.3. Установление закона направления индуктированного тока и исследования электромагнитов

Фарадей в «Экспериментальных исследованиях по электричеству» указал на отдельные способы определения направления наведенного тока, которые могли быть применены лишь в некоторых частных случаях. Академику Э. X. Ленцу принадлежит установление закона, благодаря которому стало возможным определение направления наведенного тока для всех случаев движения проводников или магнитов. В 1834 г. Ленц опубликовал исследование «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией», сущность которого ранее, 29 ноября 1833 г., была им доложена Петербургской Академии наук. Сформулированный им закон, получивший название «закона Ленца», фактически является следствием закона сохранения и превращения энергии. В настоящее время закон Ленца может быть сформулирован в самом общем виде так: «Всякий индукционный электромагнитный процесс направлен таким образом, что стремится противодействовать вызвавшей его причине». В 1833 г. Ленц сформулировал этот закон следующим образом: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».

Закон Ленца имел, прежде всего, значение в том отношении, что давал непосредственную возможность предвидеть и определять направление наведенного тока; кроме того, этот закон позволил Ленцу сформулировать важный для электротехники принцип – принцип обратимости генераторного и двигательного режимов электрической машины.

В 1838 г. Ленц практически осуществил обратимость электрической машины постоянного тока, заставив ее работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Открытый Ленцем принцип обратимости электрической машины, как известно, является одним из фундаментальных положений электротехники.

В связи с развитием применения электромагнитов оказалось необходимым измерять магнитное действие их сердечников. Особенно важным был этот вопрос потому, что в это время проводились работы по практическому применению электродвигателя Якоби, и возникла необходимость создать возможно более мощный электродвигатель. Решение задачи построения электродвигателей большей мощности связывали с применением более сильных электромагнитов. Исследование этой проблемы вели совместно Э. X. Ленц и Б. С. Якоби; в этой работе был использован баллистический метод измерений, разработанный Ленцем в 1832 г. При измерениях этим методом действие наведенного тока рассматривалось как мгновенный удар, под влиянием которого стрелка мультипликатора отклоняется с определенной скоростью: по теории баллистического гальванометра эта скорость пропорциональна , где α – угол наибольшего отклонения стрелки. В результате исследований электромагнитов Ленц и Якоби пришли к установлению ряда закономерностей, таких, например, как пропорциональность магнитного потока току возбуждения и числу витков электромагнита или точное соответствие мощности электромагнита мощности источника тока.

Результаты, полученные Ленцем и Якоби, имели то значение, что от чисто эмпирических приемов построения электромагнитов перешли к некоторым предварительным расчетам, которые обеспечивали более правильное решение задачи.

Р

Эмилий Христианович Ленц

(1804 – 1865)

азработанный Ленцем баллистический метод измерения тока позволил ему произвести много исследований, в том числе и зависимости электропроводности металлов от их температуры.

2.4. Основные направления в развитии электрических машин постоянного тока

Основы электромеханики были заложены крупнейшими открытиями первой трети XIX в. Основными научными предпосылками электромеханики явились создание основ электродинамики и открытие явления электромагнитной индукции. Накопившийся после промышленного переворота практический опыт конструирования машин и механизмов, паровых двигателей и т. п. стал основой конструктивных решений и в области электрических машин, электромагнитных аппаратов и приборов.

Создатели первых электромагнитных устройств, при помощи которых демонстрировалось непрерывное превращение электрической энергии в механическую или обратно, еще не ставили перед собой серьезных энергетических задач. Во время первых работ в области электромеханики не было еще острой потребности в построении новых мощных источников электрической или механической энергии. Паровой двигатель прочно удерживал за собой решающие позиции, и сфера применения его непрерывно расширялась.

В середине XIX века положение начало меняться. В связи с успехами электрического освещения и других энергетических применений электричества (гальванопластика, электротермия, электрическая тяга) потребность в мощных источниках электрического тока сильно возросла. Позже, в конце XIX в., развитие централизованного производства электроэнергии и необходимость по этой причине освоить передачу энергии на большие расстояния выдвинули вопросы построения мощных и экономичных электрических генераторов и электрических двигателей как задачу громадного хозяйственного значения.

В процессе решения этих крупных задач электрическая машина прошла длинный и сложный путь развития от физических игрушек до завершенных промышленных конструкций. Однако вначале развитие электрических генераторов и электрических двигателей шло совершенно различными путями, что вполне соответствовало состоянию науки об электричестве и магнетизме того периода: принцип обратимости электрической машины, как указывалось выше, был открыт в 30-х годах, а использован в широких масштабах начиная с 70-х годов прошлого века. В связи с этим представляется вполне правомерным рассмотреть отдельно развитие генератора и электродвигателя в период до 1867 г.

2.5. Основные этапы развития электродвигателя постоянного тока

В первой половине XIX в. паровой двигатель, занимал преобладающее положение среди двигателей, применявшихся бурно развивавшейся капиталистической машинной индустрией. Будучи безусловно прогрессивным фактором в технике конца XVIII и начале XIX в., он обладал тем не менее рядом существенных недостатков, которые выступали все более и более отчетливо по мере развития промышленности. К концу XIX в. паровой двигатель уже не мог оставаться единственным источником механической энергии в цехах промышленных предприятий. Необходимость перейти к более гибкой и экономичной системе промышленного привода настоятельно требовала отказа от трансмиссий, т. е. перехода по возможности к одиночному приводу. Но для такой системы привода в большинстве случаев нужен был экономичный двигатель небольшой мощности. Кроме требований, предъявлявшихся системой распределения энергии между исполнительными механизмами, двигатель промышленного предприятия должен был удовлетворять также многим другим условиям, например таким, как возможность автоматизации, небольшие габариты и вес (что дает возможность легко конструктивно сочленять двигатель и исполнительный механизм), безопасность в пожарном отношении, минимальные расходы по надзору, гигиеничность эксплуатации и пр. Всем этим требованиям наилучшим образом удовлетворял электрический двигатель. Так, в последней трети XIX в. произошло разделение на первичные (тепловые, гидравлические) и вторичные (электрические) двигатели.

Поскольку все первые потребители электрической энергии питались исключительно постоянным током и этот род тока был наиболее изучен, то и первые электрические машины были машинами постоянного тока.

В развитии электродвигателя постоянного тока можно наметить три основных этапа, которые ниже будут последовательно рассмотрены. Следует заметить, что это разделение на этапы является условным, так как конструкции и принципы действия электродвигателей, характерные для одного этапа, в отдельных случаях появлялись и на более поздних этапах; с другой стороны, более поздние и более прогрессивные конструкции в их зародышевой форме нередко можно найти на более ранних ступенях развития электродвигателя. Следует иметь в виду, что для характеристики каждого этапа развития электродвигателя в дальнейшем изложении приводятся только наиболее типичные конструкции.

Начальный этап развития электродвигателя (1821 – 1834 гг.) характеризуется созданием физических приборов, демонстрирующих непрерывное преобразование электрической энергии в механическую. Первым таким прибором было описанное выше устройство Фарадея, в котором он впервые получил взаимное вращение магнитов и проводников с током.

С

Рис. 2.3. Колесо Барлоу

ледующее после Фарадея описание различных приборов, в которых действие магнитов вызывает движение проводника с током в магнитном поле, в частности непрерывное вращение колеса, дано в книге П. Барлоу «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 г. Построенное им так называемое «колесо Барлоу» является одним из исторических памятников предистории развития электротехники. Колесо Барлоу (рис. 2.3) по принципу действия представляет собой униполярную электрическую машину, работающую в двигательном режиме; на рис. 2.3 приняты следующие обозначения: 1 – четырехугольная деревянная подставка с желобками 2 и 3, наполняемыми ртутью; 4 и 5 – два проводника, внутренние концы которых входят соответственно в желобки 2 и 3, а внешние концы служат для присоединения к полюсам источника тока. Медные колеса 6 и 7 насажены на ось 8 и могут вращаться вместе с нею. Концы их зубцов при вращении попеременно погружаются в ртуть. На подставку 1 положены два постоянных (магнита NS и NS таким образом, что их стороны параллельны желобкам 2 и 3. Если прибор соединить с полюсами генератора тока, то зубчатые колеса начнут быстро вращаться. Барлоу отмечает, что перемена контактов или перемена положения полюсов магнитов вызывает немедленно перемену направления вращения колес. В этом приборе происходит следующее физическое явление. При замыкании цепи электрический ток входит, например, через проводник 5 в ртуть желобка 3, затем вступает в колесо 7 и проходит по нему от периферии к центру; далее ток по оси 8 направляется ко второму колесу, по которому проходит в направлении от центра к периферии и через зубцы входит в ртуть желобка 2, откуда через проводник 4 возвращается к источнику тока. Легко установить (например, пользуясь правилом левой руки), что оба колеса будут вращаться в одном и том же направлении.

Колесо Барлоу не имело практического значения и остается до сих пор лабораторным демонстрационным прибором. В свое время оно сыграло роль в том отношении, что способствовало развитию экспериментов в области построения электродвигателя, пригодного для практики. К решениям, отвечавшим требованиям практики, пришли не сразу, а осуществив построение ряда электродвигателей, практическая ценность которых была недостаточной.

Характерным для первого этапа развития электродвигателя примером, отражающим иное направление в создании конструктивных форм, является прибор американского физика Джозефа Генри. Генри в 1831 г. опубликовал статью «О качательном движении, производимом магнитным притяжением и отталкиванием», в которой он описал построенный им электродвигатель. Это устройство, как и колесо Барлоу, не пошло дальше лабораторных испытаний, и сам изобретатель не придавал серьезного значения своей конструкции. Значение электродвигателя Генри в историческом разрезе заключается в том, что в этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получения движения (в данном случае качательного) некоторого рабочего органа.

Рис. 2.4. Схема электродвигателя Генри

Рис. 2.4 схематически иллюстрирует устройство электродвигателя Генри. На деревянной подставке вертикально установлены обращенные северным полюсом вверх постоянные стержневые магниты 1 и 2, между которыми расположена деревянная стойка; на стойке шарнирно укреплен в виде коромысла горизонтальный электромагнит 3-4 с загнутыми вниз концами сердечника; когда электромагнит находится в горизонтальном положении, то его полюса отстоят примерно на 1 дюйм от полюсов магнитов 1 и 2. По обеим сторонам от деревянной подставки расположены гальванические элементы 5 и 6, к цинковым и медным электродам которых припаяны чашечки со ртутью 7-8 и 9-10. Электромагнит 3-4 имеет две обмотки с двумя парами выводов 11-12 и 13-14 с каждой стороны. Если электромагнит 3-4 наклонить влево, то выводы 11 и 12 погрузятся в чашечки 7 и 8 и через обмотку электромагнита, пройдет ток; при этом на левом конце электромагнита 3 образуется северный, а на правом 4 – южный полюса.

С

Джозеф Генри

(1791 – 1878)

еверный полюс электромагнита 3 оттолкнется от северного полюса постоянного магнита 1 и одновременно южный полюс 4 притянется северным полюсом 2. Коромысло наклонится вправо, а вместе с тем выводы 13 и 14 погрузятся в чашечки 9 и 10; в результате этого по обмотке электромагнита пройдет ток другого направления, изменится полярность электромагнита 3-4 и аналогичным образом коромысло наклонится влево. Так электромагнит 3-4 будет равномерно качаться (в модели, построенной Генри, электромагнит совершал 75 качаний в минуту). Один из электродвигателей такого типа, построенный в 1831 г., имел мощность 0,044 Вт (по современным подсчетам).

Несмотря на то, что как на первом этапе, так и позднее предлагались многочисленные конструкции двигателей с качательным движением якоря, более прогрессивными всегда были попытки построить электродвигатель с вращательным движением якоря. Одной из таких попыток был электродвигатель (рис. 2.5), описанный в 1833 г. профессором Лондонского университета В. Риччи.

Рис. 2.5. Электродвигатель Риччи

Магнитное поле в этом двигателе создавалось постоянным неподвижным подковообразным магнитом, поставленным полюсами N и S вертикально вверх. Между этими полюсами на вертикальной оси помещался электромагнит 1-2, по обмотке которого пропускался ток. Направление тока изменялось коммутатором 3, вследствие чего полярность электромагнита периодически менялась. Взаимодействие полюсов постоянного магнита и электромагнита 1-2 приводило к вращению электромагнита вокруг оси. Описанный электродвигатель вследствие своей незначительной мощности не мог иметь практического значения.

В

Борис Семенович Якоби

(1801 – 1874)

торой этап развития электрических двигателей
(1834 – 1860 гг.) характеризуется преобладанием конструкций с вращательным движением якоря и с резко пульсирующим вращающим моментом. Все двигатели этого периода действовали на принципе притяжения и отталкивания, производимого электромагнитами, либо на взаимодействии электромагнитов с постоянными магнитами или со стальными пластинами. Наиболее характерные и существенно важные работы по конструированию электродвигателей этого рода принадлежат академику Б. С. Якоби. Изучая конструкции электродвигателей своих предшественников, в которых было осуществлено возвратно-поступательное или качательное движение якоря, Якоби отозвался об одном из них, «что такой прибор будет не больше, чем забавной игрушкой для обогащения физических кабинетов, и что его нельзя будет применять в большом масштабе с какой-нибудь экономической выгодой». Поэтому Якоби направил свое внимание на построение более мощного электродвигателя с вращательным движением якоря.

В 1834 г. Якоби построил и описал электродвигатель, который действовал на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами. Этот двигатель (рис. 2.6) имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна группа (четыре П-образных электромагнита) располагалась на неподвижной раме, а другая аналогичная группа – на вращающемся диске (расположен слева). В качестве источника тока для питания электромагнитов была применена батарея гальванических элементов. Для попеременного изменения полярности подвижных электромагнитов, т. е. для того, чтобы машина могла работать, служил коммутатор.

Коммутатор представлял собой чрезвычайно важную и глубоко продуманную часть устройства электродвигателя Якоби. Конструктивно он был выполнен следующим образом (рис. 2.7). На валу двигателя устанавливались четыре металлических кольца 1, 2, 3 и 4, изолированные от вала; каждое кольцо имело четыре выреза, каждый из, которых соответствовал одной восьмой части окружности.

Рис. 2.6. Общий вид электродвигателя Б. С. Якоби (конструкция 1834 г.)

Вырезы были заполнены изолирующими вкладками, каждое кольцо было смещено на 45° по отношению к предыдущему. По окружности кольца скользил рычаг 5, представлявший собой своеобразную щетку. Второй конец каждого рычага был погружен в соответствующий сосуд с ртутью 6, к которому подводились проводники от батареи (сосуды с ртутью являлись наиболее распространенными в начале XIX в. контактными устройствами). Таким образом, при каждом обороте кольца четыре раза разрывалась электрическая цепь. К электромагнитам вращающегося диска отходили от колец проводники, укрепленные на валу машины. Обмотки I всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно и обтекались током батареи в одном направлении. Обмотки электромагнитов вращающегося диска II были также соединены последовательно, но направление тока в них с помощью коммутатора изменялось 8 раз за один оборот вала. Следовательно, полярность этих электромагнитов также изменялась 8 раз за один оборот вала, и эти электромагниты поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.

Рис. 2.7. Коммутатор двигателя Якоби

Н

Рис. 2.8. Схема коммутации двигателя Якоби: I – обмотка подвижной рамы; II – обмотка неподвижной рамы; 1, 2, 3, 4 – кольца коммутатора; 1', 2', 3', 4' – сосуды с ртутью

а рис. 2.8 представлена схема коммутации электродвигателя Якоби, на которой стрелками указано направление тока для данного положения вала. Из схемы видно, что первое и второе, третье и четвертое кольца попарно электрически соединены между собой; также попарно соединены между собой первый и четвертый и второй и третий сосуды с ртутью. По схеме коммутации можно проследить направления токов во всех элементах электрической цели, равно как и установить, что при повороте якоря на 45° направление тока в обмотках подвижных электромагнитов I меняется на противоположное (т. е. 8 раз за каждый оборот вала). По обмотке неподвижной рамы II проходил ток всегда в одном направлении.

Первый электродвигатель, построенный Якоби, мог поднимать груз весом 10 – 12 фунтов (т. е. примерно 4 – 5 кг) на высоту. 1 фут (примерно 30 см) в секунду, что составляло мощность около 15 Вт.

Желание увеличить мощность электродвигателя привело Б. С. Якоби к созданию конструкции электродвигателя сдвоенного типа (рис. 2.9). Этот электродвигатель имел 24 неподвижных П-образных электромагнита и 12 подвижных стержневых электромагнитов, но действовал на том же принципе, что и первый его электродвигатель.

Рис. 2.9. Электродвигатель Якоби сдвоенного типа

Прогрессивным в этом варианте двигателя Якоби было то, что при подобной конструкции электродвигателя подшипники разгружались от аксиальных усилий, которые возникали в первом электродвигателе Якоби при совмещении осей подвижных и неподвижных электромагнитов. Изменение конструкции, однако, не дало значительного увеличения мощности и не привело к возможности применить электродвигатель на практике, к чему стремился Якоби, работая над электродвигателем. Нужно было искать новое конструктивное решение, которое через несколько лет и было найдено Б. С. Якоби.

Якоби построил первый свой электродвигатель в мае 1834 г., а в ноябре того же года он представил Парижской академии сообщение об этом устройстве. Сообщение было прочитано на заседании Парижской академии 1 декабря 1834 г. и немедленно после этого опубликовано. Таким образом, известие об изобретении Б. С. Якоби очень скоро распространилось по всем странам.

В 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил электродвигатель с непосредственным вращением якоря, действовавший на принципе взаимодействия подвижных электромагнитов с неподвижными постоянными магнитами. В этой конструкции были некоторые прогрессивные идеи, на которые обратили внимание конструкторы электродвигателей, в том числе и Б. С. Якоби.

Электродвигатель Девенпорта (рис. 2.10) имел четыре горизонтальных крестообразно расположенных электромагнита 2, 3 и 4, укрепленных на деревянном диске, жестко связанном с вертикальным валом. Эти электромагниты были расположены внутри двух постоянных магнитов 5 и 6 в форме полуокружностей, опирающихся на деревянное кольцо. Магниты 5 и 6 соприкасались одноименными полюсами и давали кольцо с двумя полюсами N и S. На особой подставке были расположены медные пластины 7 и 8, разделенные посредине изоляцией; к ним подводился ток от источника питания. Концы последовательной обмотки электромагнитов 1 и 3 имели пружинящие контакты 9 и 10, а электромагнитов 2 и 3 – такие же контакты 11 и 12. Взаимодействие электромагнитов и постоянных магнитов приводило электродвигатель в работу, причем полярность электромагнитов в соответствующие моменты изменялась при помощи коммутатора. Сравнивая электродвигатели Якоби и Девенпорта, следует отметить, что в отношении общего конструктивного решения Девенпорт сделал шаг назад, заменив неподвижные электромагниты постоянными магнитами (которые имеют больший вес и подвержены размагничиванию). Кроме того, коммутирующее устройство Якоби было выполнено удачнее, чем коммутатор Девенпорта. Однако в целом двигатель Девенпорта был более компактен благодаря расположению в одной плоскости подвижных и неподвижных магнитов. Если бы двигатель Девенпорта выполнить, например, сдвоенным, как это делал Якоби со своим двигателем, то длина вала двигателя была бы намного меньше, чем у сдвоенного двигателя Якоби; это обстоятельство не могло не привлечь внимания Якоби, стремившего увеличить мощность своего электродвигателя при сравнительно небольшом увеличении его габаритов.

Рис. 2.10. Электродвигатель Т. Девенпорта

Электродвигатель Якоби, построенный в 1834 г. и описанный выше, широко демонстрировался автором и подвергался опробованиям для приведения во вращение различных механизмов. Якоби старался найти такую область применения, для которой электродвигатель был бы наиболее удобен и целесообразен. Такой областью, по мнению Якоби, был водный транспорт. Этот выбор нельзя считать случайным. В то время преобладали деревянные суда, оснащенные парусами. Управление парусами было весьма сложным; действия парусного флота полностью зависели от воздушных течений, а в периоды штиля парусный флот оказывался бессильным. Применение парового двигателя для деревянного судна было связано с рядом неудобств. Котел, паровой двигатель и угольный бункер имели большой вес и занимали на судне много места. С точки зрения противопожарной безопасности наличие на борту паросиловой установки было весьма нежелательным, так как требовались особые очень сложные противопожарные мероприятия. В этих условиях применение электродвигателя на судне представлялось во всех отношения целесообразным. При выяснении обстоятельств, которые побудили Якоби вести опыты с электродвигателем на водном транспорте, не следует забывать также того, что Морское ведомство России в то время весьма доброжелательно встречало все предлагавшиеся усовершенствования и, как правило, содействовало их испытанию и внедрению.

Якоби ясно отдавал себе отчет в том, что, несмотря на положительные особенности электродвигателя, возникнет ряд трудностей при практическом осуществлении идеи электродвижения судов. Выявление этих трудностей и возможных недостатков применения электродвигателей могло быть осуществлено только при опытах, организованных в достаточно широком масштабе.

В середине 1837 г. Якоби, состоявший тогда профессором Дерптского университета, представляет в Министерство народного просвещения записку о необходимости организации исследований электродвигателей его системы. В результате этого обращения была создана «Комиссия для производства опытов относительно приспособления электромагнитной силы к движению машин по способу профессора Якоби», в состав которой входил ряд представителей Морского ведомства (председателем Комиссии был адмирал Крузенштерн) и ученых (акад. Э. X. Ленц, чл.-корр. Академии наук П. Л. Шиллинг и др.). Комиссия получила для производства опытов бот, вмещавший 12 пассажиров и рассчитанный на 10 гребцов. На этом боте надлежало установить электродвигатель Якоби и произвести соответствующие испытания и технико-экономические подсчеты. Вначале Якоби, по-видимому, сделал попытку установить на боте свой электродвигатель конструкции 1834 г., поместив горизонтальный вал по всей ширине судна от борта до борта и разместив соответствующее число неподвижных рам и вращающихся дисков с электромагнитами. На концах этого вала, выступавших за корпус судна, должны были находиться гребные колеса. Место, которое должен был занимать такой электродвигатель на судне, как показывают подсчеты, оказалось чрезвычайно большим. Поэтому Якоби отказался от применения для опытов этого своего электродвигателя и приступил к разработке двигателя новой конструкции, которая была осуществлена в 1838 г.

В новой конструкции Якоби пошел по пути механического объединения работы нескольких электродвигателей на общий вал. Здесь и нашло свое практическое применение предложение Девенпорта располагать неподвижные и вращающиеся магниты в одной плоскости: объединение на общем вертикальном валу нескольких электродвигателей такой конструкции увеличивало размеры электродвигателя по вертикальному направлению, что было вполне удобно для опытной судовой установки.

Рис. 2.11. Чертёж электродвигателя Якоби (конструкция 1838 г.)

Двигатель Якоби конструкции 1838 г. представлял собой следующее (рис. 2.11). В деревянной станине, образованной одной средней стойкой 1 и двумя боковыми стойками 2, установлены 40 электродвигателей, подразделенных на две группы (модель отдельного двигателя Б. С. Якоби представлена на рис. 2.12). Каждая группа из 20 электродвигателей имела общий вертикальный вал 3 и общий коммутатор 4. Неподвижная часть каждого электродвигателя представляла собой кольцо, составленное из двух электромагнитов 5 и 6, изогнутых по дуге окружности и скрепленных между собой скобами из немагнитного материала 7 и 8. Каждый из электромагнитов 5 и 6 занимал по длине четверть окружности кольца. Подвижная часть каждого из электродвигателей была составлена из четырех электромагнитов 9, укрепленных на втулке 10. Для питания током обмоток электромагнитов на «электрическом боте» было установлено 320 гальванических элементов.

Рис. 2.12. Модель одного элемента электродвигателя Якоби (конструкция 1838 г.): 1,2 – зажимы неподвижной обмотки; 3 – зажим коммутирующего устройства

Изменение направления тока в обмотках подвижных электромагнитов 9 осуществлялось коммутаторами 4, аналогичными описанному выше коммутатору первого двигателя Якоби. На каждом из двух вертикальных валов 3 была установлена коническая шестерня, сцепленная с конической шестерней 13, укрепленной на горизонтальном валу 12. Последний служил для приведения во вращение гребных колес, расположенных по обоим бортам «электрического бота».

Знакомство с этой конструкцией электродвигателя показывает, что Б. С. Якоби не построил какую-то принципиально новую машину, а пошел по пути механического соединения определенного числа элементарных машин. Эта работа Якоби отражала типичную для середины XIX века тенденцию в развитии электрических машин, когда ученые, не найдя еще качественно новых решений, пытались удовлетворить потребности практики простым количественным развитием существовавших машин.

Испытания электродвигателей Якоби, установленные на боте, показали возможность применения электродвигателей для целей практики, но в то же время обнаружили, что при питании электродвигателей током от гальванических батарей механическая энергия получается чрезмерно дорогой, вследствие чего следует признать крайнюю неэкономичность электродвигателей на данном этапе развития электротехники. Произведенные опыты, а также теоретическое исследование электрической машины привели к очень важному для практики выводу: разрешение вопроса о более или менее широком применении электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электроэнергии, т. е. от создания генератора тока более экономичного, чем гальванические батареи.

Однако и в тех условиях, когда питание электродвигателей могло осуществляться лишь при помощи гальванических элементов, на практике были случаи, когда выгоднее было устанавливать электродвигатель, чем агрегат для получения механической энергии от парового двигателя. В некоторых отраслях производства поэтому электродвигатель находит спорадическое применение в 50-х и 60-х годах. В качестве одного из примеров можно указать типографии. В то время большинство производственных операций в типографиях велось либо ручным способом, либо на машинах с ручным приводом. Но появление крупных печатных машин потребовало привода от двигателя. Для одной крупной печатной машины, обычной для типографий того времени, работавшей к тому же периодически, а не в течение целого рабочего дня, проще было использовать электродвигатель. В этих и аналогичных случаях практики в 50-х и 60-х годах прошлого века имел распространение электродвигатель французского электротехника П. Г. Фромана.

Рис. 2.13. Принципиальная схема двигателя Фромана

Принципиальная схема электродвигателя Фромана показана на рис. 2.13. На колесе, вращающемся на оси О, укреплены на равных друг от друга расстояниях параллельно оси восемь толстых пластин из мягкой стали; концы этих пластин обозначены α, β, γ, δ и α', β', γ', δ'. Каждый из углов αОβ, βОγ равен 45°. Вокруг колеса установлены на станине шесть подковообразных магнитов (рис. 2.14), проекции которых обозначены Н, F, D, а каждый из углов HOF, FOD и т. д. равен 60°. Следовательно, когда два электромагнита Н находятся прямо против пластин α и α', следующие электромагниты F находятся впереди пластин β и β' на угол 15°. Ток идет в обмотку электромагнитов через коммутатор, который осуществляет следующие переключения. В том положении, которое показано на рис. 2.13, ток идет в электромагниты F; тогда электромагниты будут притягивать пластины β, β' и вал повернется на 15°, после чего β и β' окажутся непосредственно против F. В этот момент прекратится прохождение тока через эти два электромагнита, а ток пойдет через электромагниты D, находящиеся также на расстоянии 15° от пластин γ и γ' и т. д. Таким образом, за время одного оборота подвижное колесо подвергается 24 притягивающим действиям, происходящим всегда в одном и том же направлении и при этом только тогда, когда стальные пластины находятся близко от сердечника соответствующего электромагнита. Для коммутации тока служит колесо с восемью зубцами, соответствующими пластинам мягкой стали α, β и т. д.; это зубчатое колесо вращается вместе с большим колесом, изолировано от вала и находится в постоянном контакте с положительным полюсом батареи. Зубцы снабжены тремя пружинами d, h и f, которые могут подводить ток к соответствующим электромагнитам: Н, F и D. Эти пружины неподвижны, а концы их занимают по отношению к зубцам такие же положения, как Н, F и D в отношении стальных пластин α,β и γ. Когда α располагается против Н и начинает переходить это положение, зубец отходит от пружины h, но следующий зубец прикоснется к f и станет направлять ток в F до тех пор, пока не окажется против F; тогда третий зубец придет в контакт с пружиной d и начнет направлять ток в D.

На рис. 2.14 показан общий вид электродвигателя Фромана; два верхних электромагнита для большей ясности общего вида удалены.

Некоторые из электродвигателей, построенных до 1667 г., действовали на принципе втягивания стального сердечника в соленоид; получавшееся при этом возвратно-поступательное движение преобразовывалось посредством балансира и шатунно-кривошипного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами. Таковы, например, электродвигатели Пейджа (рис. 2.15) и Бурбуза (рис. 2.16). Как видно из конструктивного оформления этих электродвигателей, мысль их изобретателей находилась в плену кинематических особенностей работы паровых машин, в которых возвратно-поступательное движение одного органа (шток поршня) преобразовывалось во вращательное движение вала посредством балансира, кривошипа и т. п.

Все рассмотренные выше электродвигатели действовали на простейшем принципе взаимных притяжений и отталкиваний магнитов или электромагнитов; эти электродвигатели имели якори простейшей формы в виде стержня с обмоткой. Такие стержневые якори можно рассматривать как явнополюсные. Этим электродвигателям были свойственны существенные недостатки. Наиболее серьезными из них являлись: большие габариты машины при сравнительно малой мощности, большое магнитное рассеяние и низкий к. п. д. Кроме того, вращающий момент на валу таких электродвигателей отличался непостоянством, и в связи с попеременными притяжениями и отталкиваниями стержневых якорей действие таких электродвигателей было в большей или меньшей степени толчкообразным. При столь резких и частых изменениях вращающего момента на валу двигателя применение последнего в системе электропривода представлялось малоперспективным.

Рис. 2.14. Общий вид двигателя Фромана

Третий этап в развитии электродвигателей характеризовался разработкой конструкций электродвигателей с кольцевым якорем и практически постоянным вращающим моментом. Первый шаг в этом принципиально новом направлении был сделан молодым итальянским ученым, впоследствии профессором физики Болонского и Пизанского университетов, Антонио Пачинотти.

Электродвигатель Пачинотти (1860 г.) состоял из якоря кольцеобразной формы, вращавшегося в магнитном поле электромагнитов. Этот электродвигатель показан на рис. 2.17. Якорь, имеющий форму стального кольца с зубцами (наличие зубцов уменьшало магнитное рассеяние и облегчало размещение обмотки) и латунными спицами, укреплялся на вертикальном валу. На кольцо между зубцами якоря наматывались катушки 3, концы которых подводились к пластинам расположенного на нижней части вала коллектора. Подвод тока к пластинам коллектора осуществлялся роликами.

Рис. 2.15. Электродвигатель Пейджа: 1 – катушки электромагнитов; 2 и 3 – стальные сердечники

Обмотка электромагнитов 7, снабженных полюсными наконечниками 2 включалась последовательно с обмоткой якоря, т. е. согласно современной терминологии машина имела последовательное возбуждение.

Рис. 2.16. Электродвигатель Бурбуза: 1 и 2 – катушки электромагнитов с втягивающимися сердечниками; 3 – переключатель

В электродвигателе Пачинотти получался практически постоянный по величине вращающий момент; габариты этого электродвигателя были невелики по сравнению с другими электродвигателями равной мощности. Основное значение работы Пачинотти состоит в том, что был сделан дальнейший и притом весьма важный шаг на пути построения современной машины постоянного тока: кольцевой зубчатый якорь, удобная схема возбуждения и коллектор, по существу говоря, современного типа. Любопытно также отметить, что Пачинотти указал на возможность обращения своего двигателя в генератор. Однако, не зная о возможности самовозбуждения машины, Пачинотти рекомендовал для использования машины в качестве генератора заменить электромагниты постоянными магнитами.

В 1863 т. Пачинотти опубликовал сведения о конструкции своего электродвигателя, но на эту публикацию не было обращено внимания, и изобретение было забыто.

Рис. 2.17. Электродвигатель Пачинотти

Несмотря на большой интерес с принципиальной точки зрения, оно не получило распространения, так как основные потребности промышленности в механической энергии в 60-х годах XIX века вполне еще удовлетворялись паровым двигателем, тем более, что, как уже отмечалось, в то время все еще не было экономичного генератора электрической энергии. Идея кольцевого якоря была возрождена примерно через 10 лет 3. Т. Граммом в конструкции электромашинного генератора.

2.6. Основные этапы развития электрохимических источников тока

Из рассмотрения истории электродвигателя видно, что его развитие опережало на начальных этапах развитие генератора. Отсутствие хорошего, экономичного генератора электрического тока тормозило развитие практических применений электричества. Примерно до 1870 г. наиболее распространенными источниками тока были электрохимические, т. е. гальванические, элементы и аккумуляторы. В дальнейшем, по мере развития электротехники преобладающим типом источников электрического тока стали электромашинные генераторы.

В гальванических элементах химическая энергия превращается в электрическую, и эта последняя выводится во внешнюю цепь для использования. Простейшими гальваническими элементами были элементы с одной жидкостью; к числу таких элементов принадлежали вольтов столб и его видоизменения (батареи Крейкшенка, Волластона), чашечный элемент Вольты и др. Всем таким генераторам тока были свойственны недостатки, усложнявшие их применение, а следовательно, и развитие практических приложений электричества на базе таких генераторов. К числу наиболее существенных недостатков следует отнести: неудобство эксплуатации, неприспособленность батарей для транспортировки и сравнительно быстрое ослабление действия этих батарей вследствие гальванической поляризации. В большинстве гальванических элементов в качестве отрицательного электрода применялся цинк, большой расход которого определял дороговизну генерируемой энергии. Если цинк был недостаточно чистым и содержал примеси (свинец, железо и др.), то при погружении его в раствор серной кислоты из-за заключенных в нем примесей возникали местные токи. Это приводило к тому, что даже при разомкнутой внешней цепи цинк взаимодействовал с кислотой и растворялся. Пока не были построены принципиально новые генераторы электрического тока, нужно было искать возможности каким-либо путем устранить хотя бы некоторые из перечисленных недостатков.

Французский физик А. С. Беккерель в 1826 г. начал исследования процессов в гальванических элементах и открыл явление гальванической поляризации, которую он объяснял как следствие скопления пузырьков водорода у медного электрода. Поляризация электродов оказывает сильное влияние на постоянство действия элемента. Для устранения поляризации были испробованы различные средства, как то: механическое удаление газа с медного электрода по мере его образования, придание электроду шероховатой поверхности, чтобы пузырькам водорода труднее было приставать и легче отделяться, и т. п. Однако действительно практическое решение было достигнуто поглощением водорода в результате химической реакции, для чего в элементе должна участвовать вторая жидкость, служащая деполяризатором. В 1829 г. Беккерель дал принципиальную конструкцию гальванического элемента с двумя жидкостями: сосуд разделялся пористой перегородкой (например, из слабообожженной глины) на две части, каждая из которых вмещала одну из жидкостей и один электрод. В первых образцах нового гальванического элемента Беккерель применил платиновые электроды и жидкости: азотную кислоту и раствор поташа. Затем он построил более дешевый и более постоянный элемент, в котором в одну половину сосуда был налит раствор поваренной соли и погружен цинковый электрод, а в другую половину сосуда, по ту сторону пористой перегородки, – раствор медного купороса, в который погружался медный электрод. С этого времени (1829 г.) гальванические элементы с одной жидкостью выходят из употребления, и в короткий промежуток времени появляется ряд усовершенствованных конструкций гальванических элементов с двумя жидкостями. Для придания цинковому электроду большей устойчивости и для устранения вредного действия могущих содержаться в цинке примесей было введено амальгамирование поверхности цинкового электрода.

Наибольшее распространение на практике получил элемент Бунзена, при помощи которого был осуществлен ряд опытных электротехнических установок. Но и этому элементу были свойственны существенные недостатки: батареи бунзеновских элементов были громоздки, относительно дороги и сложны в эксплуатации. Элемент Даниэля отличался большим постоянством электродвижущей силы и по этой причине долгое время применялся в качестве эталона э. д. с. (единица Даниэля).

Другим направлением в области создания электрохимических источников тока было построение электрических аккумуляторов, или «вторичных элементов», как они долгое время назывались.

Принципиальная возможность аккумулирования электрической энергии была доказана опытами Риттера еще в 1801 – 1803 гг. Но в течение полустолетия никаких практических применений этому открытию не было сделано. Только в 1854 г. немецкий врач Зинстеден открыл способ аккумулирования электрической энергии, наблюдая явление поляризации, отличное от обычной гальванической поляризации. Это явление заключалось в следующем: при пропускании тока через свинцовые электроды, погруженные в разведенную серную кислоту, положительный электрод стал покрываться двуокисью свинца РbO2. При замыкании такого элемента накоротко получался сильный ток в течение более продолжительного времени, чем обычный ток поляризации; такое явление в цепи наблюдалось до тех пор, пока вся двуокись свинца не израсходовалась.

В 1859 г. француз Гастон Планте, по-видимому, независимо от Зинстедена, наблюдал то же явление и на его основе построил свинцовый аккумулятор. Очень скоро было установлено, что чем более пористыми будут свинец на одном электроде и двуокись свинца на другом, тем больший запас электрической энергии будет содержать аккумулятор. Эта пористость достигалась с течением времени продолжительным повторением зарядки и разряда аккумулятора; такая операция была продолжительной, и только примерно после 500 часов работы аккумулятора происходило достаточное формирование его пластин. Искусственное формирование аккумуляторных пластин было введено в практику в 80-х годах, и это способствовало значительному улучшению действия аккумуляторов.

2.7. Основные этапы развития электромашинных генераторов постоянного тока

Несмотря на то, что электрохимические источники получили до 70-х годов XIX века значительное развитие и распространение, проблема экономичного источника электрической энергии могла быть решена только созданием совершенной конструкции электромашинного генератора. В развитии электрического генератора, так же как и в развитии электродвигателя, можно наметить три основных этапа, хотя это разделение является в достаточной степени условным.

Первый этап (1831 – 1851 гг.) характеризуется созданием электрических генераторов с возбуждением от постоянных магнитов; такие генераторы получили в то время название магнитоэлектрических.

Открытие Фарадеем в 1831 г. явления электромагнитной индукции указало новый способ получения электрического тока, который нашел свое практическое воплощение в первом униполярном генераторе – диске Фарадея. Одно из наиболее ранних и весьма интересное конструктивное решение генератора с возбуждением от постоянных магнитов было дано в середине 1832 г. анонимным изобретателем, скрывшим свое имя под латинскими буквами Р. М. Этот генератор (рис. 2.18) состоял из деревянного диска 1, сквозь отверстия которого были пропущены полюсами вниз четыре подковообразных постоянных магнита 4; диск укреплялся на вертикальном валике 2 и мог вместе с магнитами приводиться во вращательное движение с помощью рукоятки 3. На подставке 8 были неподвижно установлены восемь катушек 7 с железными сердечниками; обмотки этих катушек соединялись последовательно. При вращении магнитов в обмотке катушек наводилась переменная э. д. с. Никаких коммутирующих устройств в этой машине не было, следовательно, это устройство являлось первым однофазным синхронным многополюсным генератором. В первом варианте генератора Р. М. железные сердечники 5 катушек не имели замыкающего магнитопровода. На рис. 2.18 представлен второй вариант генератора Р. М., в который изобретатель внес существенное улучшение: он ввел добавочное стальное кольцо 6, замкнувшее магнитную цепь сердечников, и поместил на кольце в промежутке между катушками добавочные обмотки, соединенные последовательно с обмотками катушек.

С помощью этого генератора удалось разложить воду (поскольку ток был переменным, то при электролизе воды получался гремучий газ). Переменный ток в то время не мог еще найти себе потребителя, так как для всех практических применений электричества (минная электротехника, только что зародившаяся электромагнитная телеграфия, первые электродвигатели) требовался постоянный ток, получавшийся от гальванических элементов. Поэтому последующие изобретатели направили свои усилия на построение генераторов, дающих электрический ток постоянного направления; вот почему в этот период коммутационные устройства получили значительное развитие.

Рис. 2.18. Генератор Р. М.

Впервые приспособление для выпрямления тока в попеременно-полюсной машине (в отличие от униполярной машины Фарадея, которая не нуждалась в устройстве для выпрямления тока, так как давала непосредственно постоянный ток) было применено в сентябре 1832 г. в генераторе братьев Пиксии (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Генератор с барабанным коммутатором братьев Пиксии

При вращении подковообразного постоянного магнита наводилась переменная э. д. с. в двух неподвижных катушках с железными сердечниками и замыкающей их железной пластиной. Магнит приводился во вращение посредством рукоятки и конической передачи; концы последовательно соединенных катушек выводились к зажимам барабанного коммутатора. В некоторых генераторах в качестве устройства для получения тока неизменного направления (но резко пульсирующего по величине) применялось так называемое коромысло Ампера (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Коромысло Ампера: на качающемся валу ab, связанном кинематически через рычаги 9 и 10 с валом генератора, укреплены деревянные пластинки cd и ef с металлическими дужками g. При качании вала концы дужек поочередно опускаются в чашечки с ртутью 1-8, которые электрически соединены между собой, как показано на рисунке. Если к чашечкам 2 и 3 подводится переменный ток, то на зажимах 11 и 12 получается выпрямленный ток

Существенным недостатком машин Р. М. и Пиксии являлось то, что в них приходилось вращать более или менее тяжелые постоянные магниты. Представлялось более целесообразным сделать магниты неподвижными, а заставить вращаться более легкие катушки: при этом постоянные магниты менее подвергались вибрации, а следовательно, ослаблялось их размагничивание. Магнитоэлектрические генераторы такого типа оказались значительно более удобными и именно в такой конструктивной форме они впервые вошли в практику.

Одним из наиболее ранних генераторов этого типа была машина, построенная лондонским механиком Кларком (1835 г.). Машина (рис. 2.21) состояла из постоянного подковообразного магнита 1, который составлялся из отдельных пластин. На валу укреплялась траверза с двумя катушками 2, имевшими стальные сердечники. Эти катушки при вращении вала перемещались по окружности около полюсов магнита. Для получения тока, неизменного по направлению, на валу генератора укреплялись две пластины (полуцилиндры) 3, изолированные как от вала, так и между собой. К этим пластинам прижимались контактные пружины 4, с помощью которых ток отводился во внешнюю цепь (в машине было предусмотрено также контактное устройство для получения переменного тока). Коммутатор рассматриваемой машины, изменявший дважды за каждый оборот вала направление тока, представлял собой простейший двухпластинчатый коллектор.

Рис. 2.21. Генератор Кларка

Более совершенным с точки зрения увеличения потокосцепления, но в принципе мало отличавшийся от машины Кларка был магнитоэлектрический генератор Б. С Якоби. Занимаясь усовершенствованием методов электрического взрывания мин, Б. С. Якоби построил в 1842 г. генератор, названный им «магнитоэлектрической батареей». Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов. Генератор Якоби (рис. 2.22) имел два расположенных горизонтально постоянных подковообразных магнита 1, разноименные полюсы которых располагались один против другого.

Рис. 2.22. Генератор Б. С. Якоби.

Между полюсами магнитов вращались на валу 2 две катушки 3, снабженные стальными сердечниками; обмотки катушек соединялись последовательно. Вал 2, установленный в подшипниках, приводился во вращение от руки через зубчатую передачу 5. Наведенный в катушках переменный ток выпрямлялся с помощью двухпластинчатого коммутатора 4. В нерабочем состоянии катушки удерживались стопором 6.

Стремление увеличить мощность магнитоэлектрических генераторов привело со временем к увеличению числа постоянных магнитов. Этот путь представлял собой не что иное, как такое же, как и в развитии электродвигателей, увеличение числа элементарных машин с целью увеличения мощности. Наибольшее распространение в лабораторной практике 40-х и 50-х годов XIX века получил магнитоэлектрический генератор немецкого электротехника Штерера (1843 г.). При помощи генератора Штерера многими учеными, в том числе акад. Э. X. Ленцем и акад. Б. С. Якоби, было проведено исследование процессов в магнитоэлектрической машине.

Магнитоэлектрический генератор Штерера (рис. 2.23) состоял из трех неподвижных подковообразных постоянных магнитов 1, так установленных вертикально в станине, что находящиеся вверху их полюса чередовались (N S N S N S). Над магнитами располагалось шесть катушек 2 с вертикальными стержневыми сердечниками, которые были укреплены на стальном кольце, замыкающем магнитную цепь. Это кольцо укреплялось на вертикальном валу. При вращении катушек в их обмотке наводилась переменная э. д. с; для выпрямления тока был устроен коммутатор 3 (верхняя часть машины). Генератор Штерера приводился от руки. Увеличение числа магнитов до трех несколько увеличило мощность машины, но не сделало ее пригодной для широких практических применений.

Появление в течение ряда лет довольно большого числа магнитоэлектрических генераторов свидетельствует о насущной необходимости дать для практических целей генератор нового типа, который мог бы быть широко использован вместо дорогостоящих и весьма неудобных для эксплуатации гальванических батарей.

Общим недостатком всех построенных магнитоэлектрических генераторов являлось то, что мощность их была весьма незначительной и не могла быть достаточной для развития практического использования электричества.

Так, например, дуговые лампы с регуляторами, конструктивно разработанные в конце 40-х годов XIX века, не могли получить практического распространения не столько из-за несовершенного их действия, сколько по причине трудности обеспечить их питание энергией. Можно отметить, что в осветительных устройствах 50-х годов (установка Аршро в С.-Петербурге, 1849 – 1850 гг.; проф. А. С. Савельева в Казани, 1851 г.; А. И. Шпаковского в Москве, 1856 г.; проф. В. И. Лапшина в Харькове, I860 г. и др.) генерирующее устройство состояло из 600 – 1000 гальванических элементов. Дуговые лампы с регуляторами дали известный толчок построению более мощных магнитоэлектрических генераторов; в этом же были заинтересованы и некоторые электрохимические производства.

Рис. 2.23. Генератор Штерера

К построению крупных магнитоэлектрических генераторов с приводом якоря от парового двигателя подошли следующим образом. Развитие торгового флота в начале XIX в. после промышленного переворота и начало все расширявшегося применения парового двигателя на морских судах потребовало улучшения морской сигнализации. Необходимо было обеспечить более совершенными маяками побережья, а также наиболее важные с точки зрения безопасности навигации места на морских путях. Появление нового источника света, так называемого известкового или друммондова, создавало возможность увеличить дальность действия маяков; но для питания горелок друммондова света нужны были кислород и водород или их смесь (гремучий газ). Только при обеспечении горелок друммондова света кислородом и водородом можно было использовать все преимущества этого интенсивного источника света. Еще в 1849 г. профессор физики Брюссельской военной школы Нолле принялся за построение большой магнитоэлектрической машины, которая могла бы обеспечить в значительных масштабах электролиз воды для получения кислорода и водорода. Он исходил из конструкции обычных в то время магнитоэлектрических генераторов, но отказался от увеличения размеров магнита или скорости вращения катушек, а пошел по проторенному пути комбинирования в один агрегат большего числа отдельных машин. Здесь еще раз нашла свое отражение отмеченная выше тенденция удовлетворять потребности практики путем увеличения числа уже известных устройств. Работа Нолле была продолжена после его смерти ван Мальдереном (Франция) и Холмсом (Англия).

К 1856 г. конструкция машины была разработана, а в Париже была организована электропромышленная компания «Альянс» для производства таких машин; по названию фирмы получила свое наименование и новая машина.

Рис. 2.24. Общий вид генератора «Альянс»

Устройство магнитоэлектрического генератора «Альянс» было таково (рис. 2.24). На чугунной станине неподвижно укреплено несколько рядов подковообразных постоянных магнитов 1, расположенных равномерно по окружности и радиально по отношению к валу. В промежутках между рядами магнитов на валу установлены несущие колеса 2 с большим числом катушек-якорей 4. В изображенной на рис. 2.24 машине число рядов постоянных магнитов пять, число несущих колес четыре, а число катушек на каждом несущем колесе 16; таким образом, общее число магнитов 40, а общее число стержней (явнополюсных якорей) 64.

В различных вариантах машин «Альянс» устанавливалось различное число рядов магнитов (три, пять, семь). На валу генератора был укреплен коллектор 3 с 16 металлическими пластинами, изолированными друг от друга и от вала машины. Ток, наводимый в катушках при вращении вала, снимался с коллектора при помощи роликов. В машине впервые было предусмотрено устройство 6 для смещения роликов в зависимости от нагрузки; перемещение роликов происходило под действием тяг, идущих от центробежного регулятора 11, который был связан с валом машины.

В генераторе «Альянс» можно было варьировать соединение обмоток катушек, в результате чего могла меняться э. д. с. в цепи. Вследствие этого генератор «Альянс» мог давать большой ток низкого напряжения и служить, например, для целей гальванопластики и электролиза, либо ток меньшей силы, но более высокого напряжения (от 40 до 250 В) для питания дуговых ламп.

Магнитоэлектрические генераторы «Альянс» были установлены при многих маяках с дуговыми лампами, например на мысе Эв и на мысе Грине (во Франции), в Саут-Форленде и др. в Англии. В течение 1857 – 1865 гг. в эксплуатации было около 100 машин «Альянс». Одна такая машина требовала для своего привода парового двигателя мощностью 6 – 10 л. с; вес одной шестидисковой машины «Альянс» доходил до 4 т, причем одни только магниты весили более 1 т.

Генератор «Альянс» завершил развитие генераторов на первом этапе и лучше, чем другие, меньшие по размерам, машины, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлектрическим машинам. Под действием реакции якоря и вибраций постоянные магниты в такого рода машинах быстро размагничивались, в результате чего э. д. с. генератора уменьшалась и снижалась его мощность. Bo всех этих машинах применялись стержневые якори, имевшие многослойную обмотку; якори при работе быстро и сильно нагревались вследствие плохого отвода от них тепла, что приводило к быстрому разрушению изоляции. Вес и габариты магнитоэлектрических машин были весьма значительными, и крупные машины были сравнительно дорогими. Принципиальным недостатком машин с явнополюсными якорями являлось то, что они давали ток, неизменный по направлению, но резко пульсирующий по величине.

Увеличение мощности магнитоэлектрических машин могло быть лишь отчасти достигнуто путем увеличения размеров постоянных магнитов и соответствующим увеличением числа или размеров катушек; мощные магнитоэлектрические машины, как показывает пример генератора «Альянс», могли конструироваться лишь как сочетание в одном агрегате большого числа простых машин. Эти недостатки привели к тому, что в 50-х годах XIX века был поставлен вопрос о замене постоянных магнитов электромагнитами.

Так начался второй этап развития электрического генератора (1851 – 1867 гг.), занимавший сравнительно небольшой отрезок времени, характеризующийся преобладанием конструкций генераторов с независимым возбуждением. Первое предложение применить вместо постоянных магнитов электромагниты, возбуждаемые током от магнитоэлектрической машины, было сделано Зинстеденом в 1851 г. в статье «Существенное усиление магнитоэлектрического вращательного аппарата». Вначале это указание не получило своей практической реализации, и только через несколько лет после этого были построены первые машины с независимым возбуждением.

В качестве примера конструкции генератора с электромагнитами, обмотка которых питалась током от независимого источника, может быть указан генератор англичанина Генри Уайльда (1863 г.). Этот генератор (рис. 2.25) имел П-образный электромагнит 1, обмотка которого питалась током от отдельного возбудителя 2 (небольшой магнитоэлектрический генератор в данной конструкции, расположенный наверху).

Рис. 2.25. Генератор Уайльда

Вместо обычно применявшегося ранее стержневого якоря Уайльд применил предложенный Вернером Сименсом в 1856 г. якорь с сердечником двутаврового сечения (так называемый двух-Т-образный якорь), который является разновидностью явнополюсного якоря (рис. 2.26). Этот якорь имел форму вала с продольными выточками, в которые укладывалась обмотка. Машина, снабженная двух-Т-образным якорем, имела меньшее магнитное рассеяние, чем со стержневым якорем, но в то же время этот якорь, как и стержневой, имея многослойную обмотку с плохим теплоотводом, сильно грелся при работе и тем самым ограничивал мощность машины. Машина Уайльда подготовила конструкторскую мысль к созданию генераторов с самовозбуждением. Действительно, не представило больших затруднений начать питать, обмотку возбуждения генератора Уайльда не током от отдельного источника, а током самой этой машины, соединив, например, последовательно обмотку возбуждения с обмоткой якоря. После 1867 г с открытием принципа самовозбуждения в развитии электрического генератора начался третий этап.

Х

Рис. 2.26. Сердечник двух-Т-образного якоря

отя принцип самовозбуждения получил широкую известность только после 1867 г., когда почти одновременно в разных странах были построены генераторы с самовозбуждением, однако впервые этот принцип был сформулирован еще в начале 60-х годов. Датский изобретатель С. Хиорт, пытаясь применить электродвигатель на железнодорожном транспорте, занимался разработкой различных конструкций электрических машин. В 1852 г. Хиорт пришел к идее самовозбуждения, а в 1854 г. он взял английский патент на машину с самовозбуждением. В этом патенте Хиорт достаточно точно и ясно описывает принцип самовозбуждения, но, опасаясь, что остаточного магнетизма будет недостаточно для начального импульса, Хиорт наряду с электромагнитами применил и постоянные магниты. Следовательно, эта первая машина с применением самовозбуждения имела фактически комбинированное возбуждение и являлась как бы промежуточным типом между машинами магнитоэлектрическими и машинами с самовозбуждением. Следует отметить, что в других своих работах Хиорт указывает, что можно вполне обойтись без постоянных магнитов, обеспечивая начальный импульс остаточным магнетизмом сердечников электромагнитов.

Хиорт своими работами несколько опередил свое время, и, кроме того, он не располагал достаточными средствами для промышленного изготовления своих машин в больших масштабах. На идеи Хиорта и его машину не было обращено внимания, и они оставались неиспользованными на практике ряд лет. В 1866 г. английские инженеры Кромвель и Сэмьюэль Варли, а в начале 1867 г. Вернер Сименс и английский физик Чарльз Уитстон выступили с описанием принципа самовозбуждения, который фактически был уже предложен Хиортом ранее.

Существенным недостатком первых генераторов с самовозбуждением являлось наличие в них неудачной конструкции якоря. Так, рассмотренный выше двух-Т-образный якорь не только ограничивал мощность машины из-за его быстрого нагрева, но и давал резко выраженный пульсирующий ток. В последнем отношении двух-Т-образный якорь ничем не отличался от еще менее удовлетворительного стержневого якоря, поскольку и тот и другой являются только разновидностями неудачного явнополюсного исполнения якорей машин постоянного тока.

Событием, революционизировавшим развитие электрической машины, положившим начало промышленной электротехнике, явилось объединение принципа самовозбуждения с конструкцией кольцевого якоря. Первой машиной, в которой это было осуществлено, является генератор французского изобретателя (бельгийца по происхождению) 3. Т. Грамма.

В начальный период конструирования электромагнитных генераторов уже было известно, что э. д. с. индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур тока; поэтому увеличение э. д. с. в машинах пытались достигнуть путем увеличения скорости якоря. Тщательные измерения показали, что ток, даваемый генератором, сначала растет по мере возрастания скорости, достигает некоторого максимума, а затем линейная зависимость нарушается. Это неожиданное обстоятельство пытались объяснить тем, что при быстром изменении магнитного поля железо не успевает намагнититься (гипотеза В. Вебера).

В 1845 г. изучением этого вопроса занялся Э. X. Ленц. Исследования, проведенные с машиной Штерера, привели в 1847 г. Ленца к чрезвычайно важным для развития электрических машин выводам. Он показал, что ток нагрузки, протекающий по обмотке якоря, взаимодействует с основным магнитным потоком. В результате этого нейтральная линия машины сдвигается в сторону вращения якоря. Таким образом, Ленц совершенно правильно описал то явление, которое впоследствии получило название реакции якоря. Следует отметить, что к представлениям о реакции якоря подходил за год до этого и Б. С. Якоби, но исследованием этого явления он не занимался.

Важным практическим результатом исследования Ленцем реакции якоря было его предложение смещать щетки по направлению вращения так, чтобы они были установлены на действительной нейтральной линии. Говоря современным языком, Ленц впервые предложил смещать щетки из геометрической нейтрали в физическую нейтраль. В машине «Альянс», как видно из предыдущего, было уже использовано это предложение: токосъемные ролики (щетки) перемещались под действием тяг, идущих от центробежного регулятора, который в свою очередь связан с валом машины.

Существенным вкладом в развитие электрической машины было исследование Зинстеденом сердечников якорей. В результате анализа многочисленных работ своих современников (в том числе Э. X. Ленца и Б. С. Якоби) и в результате экспериментальных наблюдений Зинстеден пришел к выводу о целесообразности замены массивных стержней пучками тонкой стальной проволоки.

Это прогрессивное предложение в то время в практике электромашиностроения не привилось, и до 70-х годов продолжали строить машины с массивными сердечниками.

Первый математический анализ работы машины с самовозбуждением, равно как и вообще первое чисто математическое исследование процессов в электрической машине, дал выдающийся английский физик Джемс Кларк Максвелл. В работе, опубликованной в 1867 г., Максвелл, между прочим, впервые ввел понятие о постоянной времени в цепях электрической машины.

2.8. Краткое заключение

  1. Развитие учения об электричестве и магнетизме в период после 1831 г. происходило в направлении дальнейшего более глубокого изучения электродинамики и ознаменовалось открытием явления электромагнитной индукции Фарадеем. Это достижение науки явилось предпосылкой к расширению практических применений электричества и к развитию теоретической электротехники в современном смысле этого понятия.

  2. Опыты Фарадея в области электродинамики и электромагнитной индукции доказали возможность получения непрерывного вращения при некоторых случаях взаимодействия электрических токов и магнитов. Явление электромагнитной индукции давало весьма простой способ генерирования электрической энергии методом перемещения проводника в магнитном поле. На основе этих данных техника в скором времени обогатилась рядом конструкций электродвигателей и электрических генераторов.

Важная роль в формировании научных основ электротехники принадлежит Э. X. Ленцу, который в 1832 г. сформулировал известный закон Ленца, несколько позже открыл принцип обратимости электрических машин, впервые исследовал и описал явление реакции якоря в электрических машинах и совместно с Б. С. Якоби исследовал законы действия электромагнитов.

  1. Первые электрические двигатели действовали на принципе притяжения и отталкивания магнитов, часто имели качательное движение рабочего органа и не получили никакого практического применения. В 1834 г. Якоби предложил конструкцию электродвигателя с непрерывным вращательным движением вала и удачным коммутирующим устройством и этим открыл новое направление в конструктивном оформлении электродвигателей. Электродвигатель Якоби 1838 г., испытанный на «электрическом боте», обнаружил свои конструктивные достоинства и был первым электродвигателем, получившим практическое применение. Неэкономичность работы этого электродвигателя при питании его током от гальванических батарей оказалась препятствием для его распространения на практике. В конце 50-х и начале 60-х годов получил некоторое распространение электродвигатель Фромана. Развитие электродвигателя тормозилось отсутствием экономичного генератора электрической энергии.

  2. До 70-х годов прошлого века наиболее распространенными источниками тока были электрохимические, которые в период 1800 – 1830 гг. были значительно усовершенствованы: было изучено явление гальванической поляризации, разработан принцип гальванического элемента с двумя жидкостями для ослабления поляризации (Беккерель, 1829 г.), построены устойчивые гальванические элементы с двумя жидкостями (Даниэль, Якоби, Грове, Бунзен и др.). Принцип аккумулирования электрической энергии был использован для устройства свинцового аккумулятора (Планте, 1859 г.).

  3. За период 1831 – 1867 гг. конструкции электромашинных генераторов прошли через этап магнитоэлектрических машин с явнополюсным (стержневым и двух-Т-образным) якорем, за которым последовали опыты построения генераторов с независимым возбуждением и с самовозбуждением. Технические идеи этого периода завершились созданием самовозбуждающегося генератора с кольцевым якорем.

  4. Для удобства обозрения периода начального развития электрических машин целесообразно использовать схематическую диаграмму (рис. 2.27), охватывающую период с 1831 г. – года опубликования работ Фарадея по электромагнитной индукции – до 1871 г. – начала внедрения электрических машин Грамма.

Рис. 2.27. Схема развития ранних электрических двигателей и генераторов постоянного тока

На представленной диаграмме верхняя ветвь посвящена деятельности изобретателей электрического двигателя, а нижняя – деятельности изобретателей электромеханического генератора. Каждая ветвь имеет свои характерные, качественно отличные периоды развития, указанные на диаграмме, и своих деятелей. Даты характерных изобретений помечены на диаграмме. Кроме того, на диаграмме имеется связующая верхнюю и нижнюю ветвь линия, относящаяся к открытию в 1838 г. академиком Э. X. Ленцем обратимости генераторного и двигательного режимов электрических машин.

3. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИВОДНОЙ ТЕХНИКИ В XIX ВЕКЕ

3.1. Изобретение самовозбуждающегося генератора с кольцевым якорем

В

Зеноб Теофил Грамм

(1826 – 1901)

1870 г. Зеноб Теофил Грамм получил патент на генератор нового типа, в котором физический принцип самовозбуждения сочетался с весьма удачными конструктивными решениями (кольцевой якорь, коллектор). Как уже отмечалось, кольцевой якорь был изобретен Пачинотти в I860 г., но Грамм усовершенствовал этот якорь конструктивно, изготовляя тело якоря из пучка стальных проволок (рис. 3.1), благодаря чему заметно снижались потери на вихревые токи; кроме того, Грамм предусмотрел возможность построения многополюсных машин. Вместе с тем Грамм сделал шаг назад по сравнению с работами Пачинотти, изготовив свой якорь без зубцов, что вело, с одной стороны, к усложнению крепления обмотки, а с другой стороны, к увеличению магнитного рассеяния и магнитного сопротивления воздушного зазора в машине и некоторому увеличению потерь в меди якоря. Грамм применил кольцевой якорь сначала для магнитоэлектрических генераторов, а затем снабдил кольцевым якорем машину с самовозбуждением, что явилось громадным шагом вперед.

На рис. 3.2 изображен один из первых магнитоэлектрических генераторов Грамма с ручным приводом. В этой конструкции был применен кольцевой якорь и практически современного типа коллектор. Одним из важнейших преимуществ кольцевого якоря являлось то, что он давал постоянный ток, практически неизменный по величине.

Такой ток полностью отвечал тем требованиям, которые предъявлялись условиями возбуждения генератора. В противоположность этому в ранних конструкциях генераторов с самовозбуждением, в которых использовался, например, двух-Т-образный якорь, ток был резко пульсирующим и вызывал большие потери в полюсах машины от изменения намагничивания. С этой точки зрения мысль Грамма использовать постоянный ток, получаемый от машины с кольцевым якорем, для возбуждения той же машины была чрезвычайно плодотворной.

Рис. 3.1. Самовозбуждающийся генератор Грамма

Слева – схема соединения обмотки якоря с обмоткой возбуждения; справа – детали «кольца Грамма»: 1 – сердечник кольца из стальных проволок; 2 – секции обмотки; 3 – коллекторная пластина

Рис. 3.2. Магнитоэлектрический генератор Грамма с ручным приводом: 1 – кольцевой якорь; 2 – коллектор

На рис. 3.3 изображен самовозбуждающийся генератор Грамма с кольцевым якорем. На горизонтальном валу укреплен якорь 3-1, охватываемый сверху и снизу полюсными наконечниками. Магнитный поток создается электромагнитами 2; на специальных щеткодержателях укреплены щетки. Якорь приводится во вращение через приводной шкив 4. Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря. Конструкция машины, конечно, не выдерживает критики с точки зрения конфигурации магнитопровода, но усовершенствования этого рода могли последовать только в 80-х годах после установления так называемого закона Ома для магнитной цепи. Позднее Грамм разработал еще несколько конструкций самовозбуждающихся машин, различных по внешнему виду и по мощности, но принципиальных изменений в свою машину он больше не вносил.

Рис. 3.3. Самовозбуждающийся генератор Грамма с кольцевым якорем

Генератор Грамма оказался весьма экономичным источником электрической энергии, позволявшим получать значительные мощности при высоком к. п. д. и сравнительно малых габаритах и весе. Сравнение машины Грамма, например, с машиной «Альянс» показывает, что самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем имеет вес на 1 кВт примерно в 6 раз меньше, чем генератор с постоянными магнитами.

Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали тому, что этот генератор очень быстро вытеснил другие типы и получил очень широкое распространение. В начале 70-х годов принцип обратимости электрических машин был уже хорошо известен, и машина Грамма после Венской международной выставки (1873 г.) часто использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Таким образом, в начале 70-х годов обе линии развития электрических машин – генератора и двигателя – объединились.

Машина Грамма в принципе представляла собой машину постоянного тока современного типа. Однако она нуждалась в определенных усовершенствованиях, и эти усовершенствования последовали в 70 – 80-х годах XIX века.

Одно из наиболее существенных усовершенствований машины было сделано в 1873 г., когда немецкий электротехник Ф. Гефнер-Альтенек предложил заменить кольцевой якорь барабанным. Основным недостатком кольцевого якоря являлось плохое использование меди в его обмотке, так как части витков обмотки, находившиеся на внутренней поверхности кольца, не использовались вовсе. В барабанном же якоре обе стороны каждой секции участвовали в создании электродвижущей силы, а не использовались только лобовые части обмотки. С 1878 г. барабанный якорь стали делать зубчатым, что позволило более надежно крепить обмотки и уменьшать воздушный зазор в машине. Борьба за снижение потерь в теле якоря привела в 1880 г. к предложению Т. А. Эдисона изготовлять якорь шихтованным, т. е. набранным из тонких стальных листов, оклеенных бумагой (впоследствии оклейка стальных листов бумагой была заменена лакировкой этих листов). В том же 1880 г. для улучшения условий охлаждения якоря американский изобретатель X. Максим предложил разделять шихтованный якорь на пакеты, что давало возможность создать в теле якоря каналы для прохождения воздуха. С 1885 г. началось применение шаблонной обмотки, что значительно снизило стоимость машин и улучшило качество обмотки. Важным усовершенствованием машины постоянного тока явилось введение в 1884 г. компенсационной обмотки, а в 1885 г. – дополнительных полюсов, с помощью которых удавалось компенсировать реакцию якоря и улучшить коммутацию. В 1891 г. Э. Арнольдом была опубликована первая крупная работа, посвященная обмоткам электрических машин.

Так, в течение 70 – 80-х годов машина постоянного тока приобрела все основные черты современной машины. Дальнейшие усовершенствования не затрагивали основных принципов и конструктивных узлов машины и были направлены на повышение качества, улучшение использования активных материалов и усовершенствование изоляции, на повышение качества щеток и т. п.

3.2. Начало применения электрической энергии на транспорте

Опыты над применением электродвигателя для судовой тяги были в истории техники первым случаем электрической тяги на транспорте вообще. Эти опыты обратили на себя внимание ученых и инженеров во многих других странах, приступивших к изучению проблемы электрической тяги. Была выявлена принципиальная возможность электрической тяги и ряд ее существенных преимуществ перед паровой тягой в отдельных конкретных случаях практики. Но все эти опыты в то же время показали, что технические средства того времени в области генерирования электрической энергии были недостаточными для экономичного использования электричества в целях получения механической работы.

С изобретением генератора Грамма и новым подтверждением в опытах Фонтена и Грамма обратимости генераторного и двигательного режимов (1873 г.) проблема электрической тяги вновь начинает разрабатываться. Очевидно, что в новых условиях при возможности получения от генераторов Грамма более дешевой электрической энергии, чем от гальванических элементов, проблема электрической тяги приобрела более значительный практический интерес и ее разрешением почти одновременно начинают заниматься в Германии, России, Франции.

Применение генератора Грамма вносило существенные изменения в самый принцип электрической тяги. Во всех случаях, когда электрическая энергия для питания тягового двигателя генерировалась гальванической батареей, техническое решение шло в направлении автономных устройств тяги, т. е. таких, в которых как генерирующая установка, так и электродвигатель были размещены на том самом экипаже или судне, которое должно было приводиться в движение. С того времени, как для выработки электроэнергии стали применять генераторы Грамма, приводимые в действие соответствующими паровыми агрегатами, система автономной тяги с применением электропривода перестала распространяться. Проблема питания электродвигателя могла найти свое удовлетворительное решение лишь при условии, если будут разработаны приемы передачи электроэнергии из места ее генерирования к движущемуся экипажу, вагону и т. п. Таким образом, проблема электрической тяги должна была получить свое решение в виде неавтономной тяги с применением методов экономичной передачи электроэнергии на расстояние.

Система автономной электрической тяги, однако, не была полностью отвергнута. Усовершенствование аккумуляторов позволило устраивать систему автономной тяги, пользуясь смонтированной в вагоне или на судне аккумуляторной батареей, током от которой питался электродвигатель. В начале XX в. получила развитие автономная, так называемая «теплоэлектрическая» тяга.

Для решения технических вопросов неавтономной электрической тяги важное значение имели опыты Ф. А. Пироцкого по передаче электрической энергии по железнодорожным рельсам. Основываясь на своих экспериментах, произведенных в 1874 г., Пироцкий в сообщениях на Петербургской электротехнической выставке в апреле 1880 г. изложил проект применения электричества для движения железнодорожных поездов с передачей тока по тем же рельсам, по которым катятся колеса вагонов.

В 1879 г. Сименсом была построена первая небольшая электрическая железная дорога на промышленной выставке в Берлине. При проектировании этой дороги были использованы данные опытов Пироцкого, произведенных им .на ветке Сестрорецкой железной дороги. Пироцкий писал по этому поводу следующее: «Сестрорецкие опыты были помещены в «Инженерном журнале» за 1877 г. и один экземпляр помещенной статьи был немедленно отправлен мною в Контору Сименса, находящуюся в Петербурге».

Электрический ток по отдельному контактному рельсу передавался к двигателю небольшого вагона, напоминавшего собой современную аккумуляторную тележку (электрокар); обратным проводом служили рельсы, по которым двигался «локомотив». К последнему были прицеплены три миниатюрных вагончика, на которых могло разместиться 18 пассажиров. В том же 1879 г. фирма Сименса начала разработку проекта первой городской электрической железной дороги Берлин – Лихтерфельде длиной около 2,5 км (на эстакаде). Этот проект базировался на моторвагонной тяге с электродвигателем подвесного типа; для питания током предполагалось использовать два рельса (третий рельс отсутствовал).

В 1879 г. была пущена внутризаводская линия электрической железной дороги протяженностью около 2 км с моторвагонной тягой на текстильной фабрике Дюшен-Фурье в г. Брейль (Франция).

В России первые опыты по приведению в движение вагона с помощью электрического тока были произведены Ф. А. Пироцким в августе 1880 г. Ему удалось привести в движение электрическим током большой тяжелый вагон, вмещавший 40 пассажиров.

Несколько трамвайных линий в городах Западной Европы и США было построено в 80-х годах XIX века; наиболее же интенсивное развитие трамвайного строительства началось с 90-х годов. Первый русский трамвай – Киевский – был открыт для эксплуатации в 1892 г.

В 80-х годах было проведено несколько удачных опытов аккумуляторной тяги небольших судов. Так, в 1881 г. во время Всемирной электрической выставки в Париже Г. Труве демонстрировал винтовую аккумуляторную лодку и возил на ней пассажиров; в следующем году подобный опыт производился и в Англии. В это же время были построены первые электрические лифты, подъемные краны и электрические рудничные электровозы.

В 1869 – 1870 гг. опыты построения электрического летательного аппарата тяжелее воздуха производил А. Н. Лодыгин; в 1881 г. аэронавтом Г. Тиссандье и конструктором Г. Труве был оборудован электрический управляемый аэростат; установленные на аэростате электродвигатели получали ток от гальванической батареи, находившейся в кабине аэростата.

Все эти случаи показывают, что в период 1867 – 1891 гг. были опробованы весьма разнообразные возможности применения электрической энергии на транспорте и подготовлена почва для последующего развития электрической тяги, начавшегося с 90-х годов XIX века.

3.3. Важнейшие теоретические исследования в области электромагнетизма

Научные открытия в области электричества и магнетизма, сделанные в первой половине XIX в., в особенности явления электродинамики и электромагнитной индукции, а также широкие практические применения этих открытий в период 70 – 90-х годов привели к углублению научных знаний и явились предпосылками к важным научным обобщениям в области электричества и магнетизма. Крупнейшим научным обобщением этого времени была электромагнитная теория, созданная Д. К. Максвеллом.

В период разработки Максвеллом электромагнитной теории естественные науки находились в идейном подчинении образцу, созданному Ньютонам в труде «Математические принципы натуральной философии». Все рассматриваемые явления подчинялись трем законам механики, которые позволяют предсказать движение, если известны силы, вызывающие это движение, либо определить силы, вызвавшие известное движение. Движение всех мировых масс получало простое объяснение при предположении, что между ними действует притяжение, прямо пропорциональное произведению этих масс и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними.

Учение об электричестве и магнетизме до середины XIX в. развивалось в точном следовании учению о тяготении. Кулон, определив на основе экспериментов силы взаимодействия между электрическими или между магнитными массами, выразил его величину математической формулой (закон Кулона), аналогичной выражению для силы всемирного тяготения. Однако и в законе Ньютона, и в законе Кулона не получил объяснения самый механизм передачи действующих сил. Закон Био-Савара-Лапласа, устанавливавший величину силы взаимодействия между магнитным полюсом (единицей магнитной массы) и током, давал аналогичное выражение для силы взаимодействия; такое же выражение было дано Ампером для взаимодействий между токами. Во всех этих случаях явления рассматривались с позиций дальнодействия, господствовавших в науке около 150 лет.

Характерными для того времени являются также представления о существовании различных гипотетических невесомых жидкостей, как теплород, светотвор, положительная и отрицательная электрические жидкости и т. п.

Этим воззрениям, ставшим классическими, но застывшим в своих формах, Фарадей впервые противопоставил новые взгляды, противоположные представлениям о дальнодействии. В то время как все физики до Фарадея и многие из его современников существо электромагнитных явлений видели в электрических или магнитных зарядах, Фарадей центр своего внимания перенес на среду, на пространство, разделяющее проводники и магнитные полюса, находящиеся во взаимодействии. По представлениям Фарадея это пространство пронизано вполне реальными потоками электрических и магнитных сил; такой поток электрических или магнитных сил различен в разных средах, т. е. промежуточная среда между взаимодействующими телами оказывает на эти потоки определенное влияние. На основе своих представлений о силовых линиях, реально существующих в среде, окружающей проводники с током, как магниты, Фарадею удалось наглядно объяснить явление электромагнитной индукции.

Воззрения Фарадея шли в разрез с установившимися в то время взглядами. Поколение Фарадея и последующие ученые использовали в разнообразных направлениях все практические открытия Фарадея. Но на сущность взглядов Фарадея долгое время никто не обращал внимания. К тому же Фарадей не пользовался в своих трудах математическим аппаратом, а потому многие его мысли и воззрения казались современникам недостаточно обоснованными, так как они аргументировались лишь логическими выводами из данных опыта. Взяв из арсенала достижений Фарадея все, что представляло интерес для практики, его современники остались равнодушными к его передовым воззрениям.

Заслуга Д. К. Максвелла состоит в том, что, использовав громадный экспериментальный материал, накопленный Фарадеем за многие годы исследований, он обобщил и развил прогрессивные идеи Фарадея, придав стройную математическую форму законам электромагнитных процессов.

У

Джеймс Клерк Максвелл

(1831 – 1879)

же в первых своих научных работах «О фарадеевых силовых линиях» и «О физических силовых линиях», опубликованных в 1861 – 1864 гг., Максвелл выступает в защиту воззрений Фарадея об активной роли среды, окружающей наэлектризованные и магнитные тела, и математически интерпретирует и обобщает законы, которым подчинены электромагнитные явления. Многолетние теоретические исследования Максвелла в области электричества и магнетизма нашли свое выражение и наиболее полное обобщение в его фундаментальном сочинении «Трактат об электричестве и магнетизме», изданном в 1873 г. В этом труде Максвелл изложил основы разработанной им теории поля, являющейся краеугольным камнем современного учения об электромагнетизме. Важнейшие результаты своих исследований Максвелл сформулировал в виде известных уравнений (уравнения Максвелла), которые связывают изменения основных величин, характеризующих электрические и магнитные поля.

Максвелл обобщил закон электромагнитной индукции Фарадея, распространив его на любой контур, в любой среде. Он впервые ввел понятие об электрическом смещении и о токах смещения, возникающих при изменении электрического поля. Максвелл утверждал, что там, где кончаются проводники, электрические токи не прекращаются, а продолжаются дальше в виде токов смещения, причем эти токи смещения также возбуждают магнитное поле, как и токи проводимости. Это привело его к установлению принципа замкнутости тока.

Одним из важнейших выводов Максвелла является утверждение о том, что магнитное и электрическое поля тесно связаны между собой и изменение одного из них вызывает появление другого. Максвелл доказал, что изменение электрического состояния в какой-либо одной точке поля сопровождается постепенным распространением этого переменного состояния или возмущения на соседние точки (наподобие волны). Исследования показали, что скорость распространения подобных электромагнитных возмущений совпадает со скоростью света. На основе этого Максвелл приходит к выводу, что «свет состоит из поперечных колебаний той же среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». Этот вывод положен в основу электромагнитной теории света, разработанной Максвеллом и являющейся одним из выдающихся теоретических обобщений естествознания.

Как следствие из теоретических положений Максвелла вытекало, что существует световое давление, величина которого была Максвеллом предсказана.

Максвелл не дожил до торжества своих глубоких научных идей и обобщений. Он сам еще не мог во всем объеме представить себе значения всего того, что содержалось в его «Трактате об электричестве и магнетизме», и того, что из него вытекало. Позднее немецкий физик Г. Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн, а русский физик П. Н. Лебедев открыл световое давление и определил из опытов его величину, совпадавшую со значениями, вычисленными по теории Максвелла.

Следует отметить важное значение работ проф. Н. А. Умова, среди которых особого внимания заслуживает его докторская диссертация (1874 г.) на тему: «Уравнения движения энергии в телах». В этой работе Н. А. Умов связывает кинетическую энергию с движущейся частицей и утверждает в науке понятие о движении энергии. В связи с этим им вводятся понятия о плотности энергии и скорости ее движения и даются дифференциальные уравнения движения энергии в твердых телах постоянной упругости и в жидкостях. Идеи Н. А. Умова оказали серьезное влияние на развитие представлений об энергии; эти идеи позднее (1884 г.) были восприняты и развиты английским физиком Пойнтингом применительно к электромагнитному полю.

В указанный период были проведены отдельные исследования, имевшие чрезвычайно большое значение для практической электротехники. Среди этих работ следует особо отметить исследования свойств мягкого железа, этого важнейшего активного материала, используемого в большинстве электромагнитных устройств.

Основополагающие исследования, касающиеся намагничивания мягкого железа, принадлежат профессору Московского университета Александру Григорьевичу Столетову. В ноябре 1871 г. в Московском математическом обществе А. Г. Столетов зачитал работу, составившую предмет его докторской диссертации, в которой была глубоко исследована зависимость коэффициента восприимчивости от намагниченности железа (этот коэффициент Столетов называл «функцией намагничения»). Проведя множество чрезвычайно тонких экспериментов с намагничиванием замкнутого железного кольца, Столетов установил, что коэффициент восприимчивости с увеличением намагниченности растет, достигает максимума, а затем убывает. Таким образом, Столетов глубоко изучил явление насыщения железа. Этот метод исследования, впервые разработанный Столетовым, положен в основу современных методов изучения магнитных свойств железа.

П

Александр Григорьевич Столетов

(1839 – 1896)

рактическое значение этих исследований правильно оценил сам А. Г. Столетов, указав в заключительных строках своего труда, что знание свойств железа при его намагничивании столь же важно для электромашиностроения, как знание свойств водяного пара для построения паровых машин. Своевременность появления труда Столетова не вызывает сомнений, если вспомнить, что эта работа была опубликована в 1871 г., т. е. спустя всего год после появления первых машин Грамма.

Работы в области исследования магнитных свойств железа были продолжены многими учеными 70 – 80-х годов. Так, в 1880 г. было открыто явление гистерезиса и начались глубокие исследования потерь в железе при его перемагничивании. Большое значение для проектирования электрических машин и аппаратов имели работы Джона Гопкинсона, который в начале 80-х годов сформулировал так называемый закон Ома для магнитной цепи. Гопкинсон впервые предложил при расчете электрической машины или электромагнитного аппарата разбивать их магнитную цепь на ряд участков, каждый из которых имеет постоянные магнитную проницаемость μ и сечение S и представил закон Ома для магнитной цепи в виде

,

где wi – намагничивающая сила;

Ф – магнитный поток;

l – длина соответствующего участка магнитной цепи.

На базе работ Гопкинсона был разработан метод расчета магнитной цепи, который полностью сохранил свое значение до настоящего времени.

На основании теоретических исследований 70 – 80-х годов удалось от грубой эмпирики перейти к осмысленному, достаточно строгому проектированию электрических машин, аппаратов и приборов. Прежде всего, это выразилось в совершенствовании форм магнитопроводов и, следовательно, в уменьшении магнитного рассеяния и в снижении потерь. В частности, машина постоянного тока в 1890 г. получила такую конфигурацию магнито-провода, которая не отличается от современной.

3.4. Краткое заключение

1. 70-е и 80-е годы XIX в. представляют собой период быстрого развития электротехники и различных энергетических применений электричества; это время характеризуется крупными научными обобщениями в области электричества и магнетизма, а также разработкой отдельных теоретических вопросов, позволивших перейти от эмпирических методов исследований в области электромагнетизма к расчетным приемам и методам, основанным на строгих научных данных.

2. Исходным моментом, создавшим возможность развития электротехники в этот период, является построение электромашинного самовозбуждающегося генератора с кольцевым якорем; изобретение этого экономичного и компактного генератора давало для своего времени наиболее совершенное решение проблемы генерирования электроэнергии для энергетических ее применений.

3. 70-е и 80-е годы характеризуются развитием применения электроэнергии на транспорте (для целей электрической тяги и для электродвижения судов). Получает развитие строительство электрических лифтов, подъемных кранов и электрическая тяга на рудниках. В 80-х годах трудами Бенардоса и Славянова были созданы методы электрической сварки и электрической отливки металлов. Кроме того, в этот период усилились работы в области электрических печей.

3. Богатый экспериментальный материал, накопленный в области исследования электричества и магнетизма в первой половине XIX в., и в особенности результаты опытов Фарадея послужили исходным материалом к важному и научному обобщению электромагнитной теории Максвелла. Эта теория стала базой всего последующего развития научных идей в области электричества и магнетизма. В рассматриваемый период было экспериментально доказано существование электромагнитные волн, положено начало исследованию магнитных свойств стали и созданы предпосылки для развития электромашиностроения и электроаппаратостроения на строгой научной основе.

4. ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ТРЁХФАЗНОГО ТОКА

Анализ путей развития методов передачи электроэнергии на большие расстояния показывает, что к концу 80-х годов XIX века в электротехнике сложилось кризисное положение. Возможности, которые представлялись как техникой постоянного тока, так и техникой однофазного переменного тока, были ограничены и не позволяли удовлетворительно решить комплексную проблему передачи и потребления электроэнергии. Положение было таково, что эта проблема оказалась центральной не только в области электротехники, но и в развитии промышленности и техники вообще. Действительно, промышленное производство, которое приобретало все более и более концентрированный характер, требовало концентрированного производства энергии. К тому времени было уже ясно, что наиболее удобной и поэтому весьма желательной была бы следующая схема энергоснабжения промышленных предприятий: производство в больших масштабах электроэнергии в местах дешевых источников первичной энергии (тепловой или гидравлической) и передача ее на необходимое расстояние к местам потребления. Только в этом случае промышленность могла бы освободиться от тех сковывавших ее рамок, которые налагались местными энергетическими условиями или экономическими соображениями при транспортировке топлива.

Таким образом, проблема передачи электроэнергии на большие расстояния перерастала в конце XIX в. в общеэкономическую проблему.

Опыты передачи электроэнергии переменным током показали принципиальную возможность решения этой задачи. Трудность, как известно, состояла в том, что не было приемлемых для практики двигателей переменного тока. Следовательно, для того чтобы не ограничивать потребление электроэнергии только осветительными и нагревательными приборами, необходимо было построить двигатель переменного тока. Из современной электротехники известно, что вращающий момент в двигателе переменного тока можно получить в том случае, если будет создано вращающееся магнитное поле, т. е. такое магнитное поле, которое непрерывно вращается в пространстве вокруг неподвижной точки. Если в такое поле поместить, например, медный цилиндр, то в последнем будут наводиться вихревые токи, и в соответствии с законом Ленца этот цилиндр начнет вращаться в направлении вращения поля. На этом принципе построен асинхронный двигатель.

К открытию физического принципа, на котором основана работа асинхронного двигателя, ученые подошли не сразу.

4.1. Открытие явления вращающегося магнитного поля

Имеются указания, что еще в XVIII и начале XIX вв. было замечено тормозящее влияние медного корпуса компаса на колебания магнитной стрелки и другие явления взаимодействия между немагнитными металлами и магнитной стрелкой при их взаимных перемещениях. Наиболее интересный опыт произвел французский физик Араго, открывший явление, названное им «магнетизмом вращения». В опыте Араго в том случае, когда вращение медного диска происходило при вращении находящегося вблизи него постоянного магнита, был уже заложен принцип асинхронного электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Однако здесь вращающееся поле создавалось не неподвижным устройством, каким в современных машинах является статор, а вращающимся магнитом.

Долгое время явление, открытое Араго, не находило себе практического применения. Только в 1879 г. была сделана попытка усовершенствовать опыт Араго как раз в том направлении, чтобы осуществить вращение магнитного поля с помощью неподвижного устройства. В этом году В. Бейли (Англия) сконструировал прибор, в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось путем поочередного намагничивания четырех расположенных по периферии круга электромагнитов. Такое намагничивание производилось с помощью импульсов постоянного тока, посылаемых в обмотки электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором. Внешний вид прибора Бейли представлен на рис. 4.1. Над полюсами электромагнитов, как и в опытах Араго, был подвешен медный диск. Бейли указывал, что при бесконечно большом числе электромагнитов можно было бы получить равномерное вращение магнитного поля. Описанное устройство было настолько технически несовершенно, что прибор Бейли, не получив никакого применения, остался физической игрушкой. Тем не менее, это было некоторое связующее звено между опытом Араго и более поздними работами.

Рис. 4.1. Прибор Бейли

Определенный шаг к открытию явления вращающегося магнитного поля сделал М. Депре, описавший в 1883 г. одну из первых схем синхронной связи. Однако Депре не сумел использовать все возможности разработанной им схемы и не заметил, что при определенных условиях в его схеме можно получить настоящее вращающееся магнитное поле.

К открытию явления вращающегося магнитного поля в современном его понимании пришли независимо друг от друга итальянский ученый Г. Феррарис и югославский ученый и изобретатель работавший большую часть жизни в Америке, Н. Тесла. Феррарис указывал, что способ получения вращающегося магнитного поля он нашел в 1885 году, но впервые сообщил о своем открытии в докладе Туринской Академии наук в марте.1888 г.

Двумя месяцами позже, в мае того же года с изложением существа своих открытий выступил Тесла, хотя идеи о бесколлекторном электродвигателе переменного тока у него появились еще в 1882 г.

Феррарис и Тесла в результате своих исследований показали, что если две катушки, расположенные под прямым углом друг к другу, питать двумя переменными синусоидальными токами, отличающимися друг от друга только по фазе, и если этот фазовый сдвиг составляет ровно 90°, то вектор суммарной магнитной индукции в точке пересечения осей этих катушек получает равномерное вращательное движение, не изменяясь, однако, по абсолютной величине (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Вращение результирующего вектора магнитной индукции В в двухфазной системе

Так было установлено, что с помощью двух или более переменных токов можно получить непрерывно вращающееся магнитное поле. Минимально необходимое для этого число токов равно двум. Поэтому вполне естественно, что исследование многофазных систем началось с системы двухфазной.

4.2. Двухфазная система

Феррарис построил небольшой двухфазный двигатель мощностью около 3 Вт. На рис. 4.3 представлена схема этого двигателя, где видны две пары взаимно перпендикулярных катушек 1-1' и 2-2' и полый медный цилиндр 3, сидящий на валу 4. Достаточно подвести к катушкам 2-2' ток, отличающийся по фазе от тока в катушках 1-1' на 90°, как во внутренней полости катушек возникнет вращающееся магнитное поле, и медный цилиндр (ротор) начнет вращаться. Но как получить два тока, отличающихся по фазе на 90° или, по крайней мере, на угол, близкий к 90°? Феррарис решает эту задачу двумя путями. В одном случае катушки 1-1' включались в первичную цепь трансформатора, а катушки 2-2' – во вторичную. Для того чтобы этот сдвиг был по возможности ближе к 90° обмотка катушек 2-2' имела большее сопротивление, чем обмотка катушек 1-1'.Благодаря этому во вторичную цепь трансформатора вводилось большое активное сопротивление, что приводило к уменьшению фазового сдвига в этой цепи. В другом случае в цепь одной катушки включалось добавочное активное сопротивление, а в цепь другой – добавочное индуктивное сопротивление.

Рис. 4.3. Схематический разрез модели двигателя Феррариса

Таким образом, Феррарис, для того чтобы получить двухфазную систему токов, «расщеплял» обычный однофазный переменный ток, создавая так называемую искусственную или вспомогательную фазу. Этот метод требовал дополнительных довольно сложных устройств для «расщепления» фаз, и, кроме того, фазовый сдвиг практически никогда не составлял 90°, что привело к искажению вращающегося поля.

Но не эти недостатки (на которые, собственно, сначала и не обратили внимания) помешали Феррарису и некоторым его современникам разработать конструкцию промышленного двухфазного электродвигателя. В своем теоретическом исследовании Феррарис предположил, что электрический двигатель, так же как это принято для электрических устройств в технике слабых токов, должен работать не при максимальном к. п. д., а при максимальной полезной мощности. Простые математические преобразования показывали, что такому условию удовлетворяет двигатель ротор которого имеет скольжение, равное 50%, т. е. вращается со скоростью вдвое меньшей, чем скорость вращающегося магнитного поля. Такой ротор должен был иметь обмотку с большим сопротивлением. Дальнейший математический анализ привел Феррариса к неправильному выводу, что двигатель, построенный на базе использования свойств вращающегося магнитного поля, принципиально не может иметь к. п. д. выше 50%. Естественно, столь низкий к. п. д. не мог удовлетворить электротехников-практиков, и интерес к работам Феррариса заметно ослабел. Так ошибочное начальное условие в теоретическом анализе на некоторое время задержало развитие прогрессивной по своему существу технической идеи.

Для полноты представлений об истории двухфазной системы можно добавить, что в 1889 – 1890 гг. были построены первые конденсаторные двигатели, в которых сдвиг по фазе осуществлялся с помощью конденсаторов.

П

Никола Тесла

(1856 – 1943)

о иному пути пошли некоторые другие изобретатели, и среди них наибольших успехов добился Никола Тесла. Тесла, не прибегая к попыткам получить необходимую разность фаз в самом двигателе, пришел к выводу о целесообразности построения такого генератора, который сразу давал бы, так сказать, в готовом виде два тока с разностью фаз в 90°.

Рис. 4.4. Схемы генератора и двигателя Н. Тесла

Тесла построил двухфазный генератор и питал от него двухфазный асинхронный двигатель. Схематически система Тесла в ее наиболее характерной форме представлена на рис. 4.4. На этом рисунке слева изображен синхронный генератор, а справа – асинхронный двигатель. В генераторе между полюсами вращались две перпендикулярные друг другу катушки. Без особых пояснений понятно, что в таких катушках генерировались два тока, сдвинутых по фазе на 90°. Концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора (на чертеже для ясности эти кольца имеют различные диаметры). Ротор двигателя тоже имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом друг к другу короткозамкнутых катушек.

Важнейшим недостатком построенных двигателей Тесла было наличие выступающих полюсов с сосредоточенной обмоткой. Эти двигатели имели очень большое магнитное сопротивление и крайне неблагоприятное распределение намагничивающей силы вдоль воздушного зазора, что приводило к ухудшению характеристик машины.

Существенным недостатком двухфазной системы являлось то, что она требовала для передачи электроэнергии четырех проводов вместо двух при однофазной системе. Правда, Тесла предлагал сделать один провод общим, и тогда число проводов снижалось до трех, однако и в этом случае расход меди на провода увеличивался примерно в 1,5 раза в сравнении с однофазной системой (максимальное значение тока в общем проводе в раза больше максимальных значений каждого из токов в двух других проводах).

Казавшаяся очевидной экономическая нецелесообразность двухфазной системы в совокупности со многими техническими недостатками машин Тесла задерживала внедрение этой системы в практику. Фирма Вестингауз, в которой работал Тесла, осуществила несколько установок по системе Тесла. Наибольшей по масштабам установкой этой системы была Ниагарская гидроэлектростанция.

4.3. Система трехфазного тока

В то время как Тесла и его сотрудники в Америке пытались усовершенствовать двухфазную систему, в Европе была разработана более совершенная электрическая система, а именно система трехфазного тока. Изучение документальных материалов, относящихся к истории трехфазного тока, показывает, что в 1887 – 1889 гг. идеи многофазных систем разрабатывались с большим или меньшим успехом несколькими учеными и инженерами. Некоторые из них указывали возможность получения трехфазной системы. Однако авторы этих идей и исследований в одних случаях не видели перспектив развития такой системы и ограничивали свои задачи улучшением использования активных материалов в машинах, в других случаях (например, Тесла), не найдя пути к связанной трехфазной системе (трехфазная цепь, в которой каждая фаза генератора независимо от других соединена двумя проводами со своим приемником, называется несвязанной трехфазной цепью. Если вместо трех отдельных обратных проводов применить один общий провод, то получится четырехпроводная связанная трехфазная цепь. При равномерной нагрузке фаз общий обратный провод может быть устранен, и в этом случае получается трехпроводная связанная трехфазная цепь.), останавливались перед неприятной необходимостью увеличения числа линейных проводов.

Наибольших успехов в развитии многофазных систем добился Михаил Осипович Доливо-Добровольский, который сумел придать своим работам практический характер и явился основоположником техники трехфазного тока.

О

Михаил Осипович Доливо-Добровольский

(1862 – 1919)

сенью 1888 г. Доливо-Добровольский, тогда еще молодой инженер, познакомился с содержанием доклада Феррариса и обратил свое внимание именно на ту часть доклада, где Феррарис делает вывод о практической непригодности индукционного электродвигателя. Доливо-Добровольский не согласился с таким выводом Феррариса. Он еще до ознакомления с работой Феррариса заметил, что если замкнуть накоротко обмотку якоря двигателя постоянного тока при его торможении (т. е. в опыте динамического торможения), то возникает тормозящий момент большой величины. «Я тотчас же сказал себе, – вспоминал позднее Доливо-Добровольский, – что если сделать вращающееся поле по методу Феррариса и поместить в него такой коротко-замкнутый якорь малого сопротивления, то этот якорь скорее сам сгорит, чем будет вращаться с небольшим числом оборотов. Мысленно я прямо представил себе электродвигатель многофазного тока с ничтожным скольжением».

Следовательно, Доливо-Добровольский сразу же понял, что нет необходимости делать обмотку ротора с таким большим сопротивлением, при котором ротор имел бы скольжение около 50%. Он совершенно правильно рассудил, что если сопротивление обмотки ротора будет небольшим, то уже при незначительном скольжении в стержнях обмотки возникнут большие токи, которые в достаточно сильном поле статора создадут значительный вращающий момент.

Усиленная работа в выявленном уже направлении привела Доливо-Добровольского в необычайно короткий срок к трехфазной электрической системе и совершенной, в принципе не изменившейся до настоящего времени, конструкции асинхронного электродвигателя.

Первым важным шагом, который сделал Доливо-Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьей клетки. Это изобретение было сделано следующим образом. Как указано выше, Доливо-Добровольский пришел к выводу, что сопротивление ротора должно быть небольшим. В этом отношении лучшим конструктивным решением мог бы быть ротор в виде медного цилиндра, как это было сделано в двигателе Феррариса. Но медь является плохим проводником для магнитного потока статора, и к. п. д. такого двигателя был бы очень низок. Если же медный цилиндр заменить стальным, то магнитный поток резко возрастет, но вместе с тем электрическая проводимость стали меньше, чем меди, и поэтому к. п. д. опять не может быть высоким. Выход из этого противоречия, найденный Доливо-Доброволь-ским, состоял в том, что он предложил выполнять ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало магнитное сопротивление ротора) и в просверленные по периферии последнего .каналы закладывать медные стержни (что уменьшает электрическое сопротивление ротора). На лобовых частях ротора эти стержни должны быть хорошо электрически соединены друг с другом. На рис. 4.5 представлены чертежи из первого патента в области трехфазной системы. Этим патентом (заявлен 8 марта 1889 г.) Доливо-Добровольский закрепил за собой изобретение ротора с беличьей клеткой, т. е. той конструкции ротора асинхронного двигателя, которая сохранилась принципиально в том же виде и до настоящего времени.

Рис. 4.5. Роторы с обмоткой в виде беличьей клетки (из патента М. О. Доливо-Добровольского)

Важнейшим этапом в трудах Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной системы трехфазной. Он совершенно справедливо отмечал, что при увеличении числа фаз улучшается распределение намагничивающей силы по окружности статора асинхронного двигателя и улучшается использование машины. Уже переход от двухфазной системы к трехфазной дает значительный выигрыш в этом отногении. Дальнейшее увеличение числа фаз, по мнению Доливо-Добровольского, не являлось целесообразным, так как привело бы к значительному увеличению расхода меди на провода. Вскоре, как будет показано ниже, выяснились и другие преимущества трехфазной системы.

Но каким образом проще всего получить трехфазную систему? Уже был известен способ, при помощи которого обычную машину постоянного тока можно было превратить в генератор переменного тока. Яблочков и Грамм еще в конце 70-х годов секционировали кольцевой якорь генератора и получали от каждой секции переменный ток. В середине 80-х годов были построены первые вращающиеся одноякорные преобразователи. Эти преобразователи очень просто получались из обычной машины постоянного тока: от двух диаметрально противоположных точек обмотки якоря двухполюсной машины делались отпайки, которые выводились на контактные кольца. В этом случае к коллектору машины подводился постоянный ток, а с колец снимался переменный ток (рис. 4.6). Если в том же якоре машины постоянного тока сделать отпайки от четырех равноотстоящих точек, то на четырех, соответственно, кольцах легко получить двухфазный ток (рис. 4.7).

Рис. 4.6. Схема одноякорного преобразователя:

1-1' – щетки со стороны постоянного тока; 2-2' – щетки со стороны переменного тока

Тесла устраивал генератор, в котором имелись три независимые катушки, расположенные под углом 60° друг к другу.

Такой генератор давал трехфазный ток, но требовал для передачи энергии шести проводов, так как в этом случае Тесла получал несвязанную трехфазную цепь.

Рис. 4.7. Схема двухфазного одноякорного преобразователя

Рис. 4.8. Схема трехфазного одноякорного преобразователя


Доливо-Добровольский в результате исследования различных схем обмоток пришел к мысли сделать ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машины постоянного тока. Таким образом, был получен трехфазный ток с разностью фаз 120° (рис. 4.8). Сохранив в этой машине коллектор, Доливо-Добровольский мог использовать ее в качестве одноякорного преобразователя, на кольцах которого получался трехфазный ток.

Следовательно, Доливо-Добровольский пришел к связанной трехфазной системе, которая отличалась той особенностью, что требовала для передачи и распределения электроэнергии только трех проводов. В двухфазной системе Тесла также имелась возможность обойтись тремя проводами, однако достоинства связанной трехфазной цепи подкреплялись многими другими преимуществами как двигателей, так и вообще трехфазной системы. Оказалось, например, что на три провода в трехфазной системе при прочих равных условиях требовалось затратить меди на 25% меньше, чем на два провода в однофазной системе. Эта очевидная экономия в проводниковой меди в значительной мере способствовала в свое время решению вопроса о выборе системы тока в пользу трехфазной системы.

Особые свойства системы трехфазного тока, отличающие ее как от системы постоянного тока, так и от системы однофазного переменного тока, и, в частности, возможность с помощью трехфазного тока получить вращающееся магнитное поле заставили Доливо-Добровольского предложить даже новый термин, характеризующий новую систему. Системе «сопряженных» токов (согласно более позднему определению таких трех переменных токов, геометрическая сумма которых в любой момент времени равна нулю) было дано наименование «Drehstrom», что в переводе на русский язык означает «вращающий ток». Указанный термин до настоящего времени сохранился в немецкой литературе.

Ранней весной 1889 г. М. О. Доливо-Добровольский построил первый трехфазный асинхронный двигатель мощностью около 100 Вт (рис. 4.9). Этот двигатель питался током от трехфазного одноякорного преобразователя и при испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты.

Рис. 4.9. Первый трехфазный асинхронный двигатель М. О. Доливо-Добровольского

Вслед за первым преобразователем был построен второй, более мощный, а затем стали строиться трехфазные синхронные генераторы. Уже в первых генераторах применялись два основных способа соединения обмоток: в звезду и в треугольник. В дальнейшем Доливо-Добровольскому удалось улучшить использование статора с помощью широко применяемого в настоящее время метода, заключающегося в том, что обмотку делают разрезной и противолежащие катушки соединяют встречно друг другу (рис. 4.10).

Важным достижением Доливо-Добровольского явилось также то, что он отказался от выполнения двигателя с выступающими полюсами и сделал обмотку статора распределенной по всей его окружности. Благодаря этому значительно уменьшилось магнитное рассеяние в сравнении с двигателями Тесла. Так трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором получил почти современные конструктивные формы. Вскоре Доливо-Добровольским было внесено еще одно усовершенствование: кольцевой тип обмотки статора был заменен барабанным. После этого асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором в своих принципиальных частях не менялся.

Новое затруднение в развитии техники трехфазного тока возникло в связи с ограниченной мощностью первых источников тока: как отдельных генераторов, так и электростанций в целом. Дело в том, что при пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором пусковой ток может в несколько раз превышать номинальный. Чем больше начальный пусковой ток в сравнении с номинальным током и чем больше двигателей включается в какую-либо сеть, тем больше должна быть мощность этой сети, чтобы включение двигателей меньше отражалось на работе других потребителей. Если при работе малых машин начальный пусковой ток не имеет большого практического значения, то в случае применения машин мощностью свыше 2 – 3 кВт уже не являются безразличными условия работы сети, равно как и конструкция обмотки ротора самого двигателя.

Рис. 4.10. Разрезная обмотка статора: а – соединение треугольником; б – соединение звездой

М. О. Доливо-Добровольский в 1890 г. изготовил двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью примерно 3,7 кВт и при первом же испытании установил значительное ухудшение пусковых свойств. Причину этого он увидел в том, что короткозамкнутый ротор согласно его выражению был «слишком замкнут накоротко». При увеличении сопротивления обмотки ротора пусковые условия заметно улучшались, но рабочие характеристики двигателя ухудшались. Анализ возникших затруднений привел Доливо-Добровольского к мысли создать «переменную степень короткого замыкания». Эта идея была реализована в изобретении так называемого фазного ротора, т. е. такого ротора, обмотка которого делается подобно обмотке статора трехфазной и концы обмотки соединяются с тремя кольцами, насаженными на вал. С помощью щеток эти кольца соединяются с пусковым реостатом. Таким образом, в момент пуска в цепь ротора включается большое сопротивление, которое выводится по мере нарастания скорости. На рис. 4.11 представлена схема трехфазного асинхронного двигателя Доливо-Добровольского с фазным ротором и пусковым реостатом.

Рис. 4.11. Трехфазный асинхронный двигатель М. О. Доливо-Добровольского с фазным ротором и пусковым реостатом

Как было отмечено, фазный ротор требовал устройства на валу двигателя контактных колец, и это рассматривалось многими электротехниками как недостаток в сравнении с короткозамкнутым ротором, не имеющим никаких трущихся контактов. Однако и до сегодняшнего дня реостатный пуск находит применение в промышленных электроприводах. Система трехфазного тока не имела бы в первые же годы своего существования быстрого и широкого успеха, если бы она не решала проблемы передачи энергии на большие расстояния. Но для электропередачи требуется высокое напряжение, которое в случае переменного тока получается при помощи трансформаторов. Трехфазная система не представляла принципиальных затруднений для трансформирования энергии, но требовала трех однофазных трансформаторов вместо одного при однофазной системе. Такое увеличение числа довольно дорогих аппаратов не могло не вызвать отрицательного отношения многих электриков к новой системе. Поэтому представляется вполне естественным стремление Доливо-Добровольского и в этом случае найти более удовлетворительное решение.

Рис. 4.12. Трансформаторы М. О. Доливо-Добровольского: а – с радиальным расположением сердечников; б, в, г – «призматический» тип; д – с параллельным расположением стержней в одной плоскости

В 1889 г. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор. Вначале это был трансформатор с радиальным расположением сердечников (рис. 4.12, а). Конструкция этого трансформатора еще напоминает машину с выступающими полюсами, в которой устранен воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни. Затем Доливо-Добровольский предложил несколько конструкций так называемых «призматических» трансформаторов, в которых он стремился получить более компактную форму магнитопровода (рис. 4.12, б, в, г). Наконец, 4 октября 1891 г. им была сделана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости (рис. 4.12, д). В принципе эта конструкция сохранилась по настоящее время.

Целям электропередачи отвечали также работы Доливо-Добровольского, связанные с изучением схем трехфазной цепи. В 80 – 90-х годах прошлого века значительное место занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную несимметрию в систему. Кроме того, иногда было желательно иметь в своем распоряжении не одно, а два напряжения: одно для осветительной нагрузки, а другое, повышенное, для силовой.

Для того чтобы иметь возможность регулировать напряжение в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), Доливо-Добровольский разработал в 1890 г. четырехпроводную схему трехфазной цепи или, иначе, систему трехфазного тока с нулевым проводом. Сразу же он указал, что вместо нейтрального или нулевого провода можно использовать землю. Доливо-Добровольский правильно обосновал свои предложения доказательством того, что четырехпроводная трехфазная система позволяет допускать определенную несимметрию нагрузки, которая в этом случае не вызывает существенного нарушения режима работы, поскольку избыточный ток возвращается по нейтральному проводу. Для регулирования напряжения в отдельных фазах четырехпроводной системы Доливо-Добровольский предложил использовать изобретенный им трехфазный автотрансформатор (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Четырехпроводная трехфазная цепь с автотрансформатором: Г – генератор; АТ – автотрансформатор; Н – нагрузка

Таким образом, в течение 2 – 3 лет были конструктивно разработаны все основные элементы трехфазной системы электроснабжения: генератор, трансформатор, трехпроводная и четырехпроводная линии передачи и асинхронный двигатель в двух его основных модификациях (с фазным и короткозамкнутым ротором).

Изучение истории техники трехфазного тока показывает, что решающую роль в ее зарождении и развитии сыграли труды М. О. Доливо-Добровольского. Он не только разработал основные элементы системы трехфазного тока, но и сделал ряд важнейших изобретений в области техники постоянного тока, в области электроизмерительной техники. Несомненно, столь быстрый и полный успех трудов М. О. Доливо-Добровольского во многом определялся тем обстоятельством, что его труды отвечали основным требованиям эпохи.

Действительно, Доливо-Добровольский начал свою инженерную и научную деятельность в тот период, когда развивавшиеся производительные силы общества ставили перед новой областью техники – электротехникой все новые и новые, все более и более ответственные задачи. Основное направление работ Доливо-Добровольского совпало с главным направлением в развитии электроэнергетики и приводной техники. Кроме того, нельзя упускать из виду, что Доливо-Добровольский работал в условиях наиболее развитой в то время германской электротехнической промышленности и, являясь одним из технических руководителей крупнейшей электротехнической фирмы, располагал большими возможностями для экспериментального исследования и практической реализации своих изобретений.

4.4. Первая линия электропередачи трехфазным током

Генеральным испытанием разработанной М. О. Доливо-Добровольским системы явилась Лауфен-франкфуртская экспериментальная электропередача. Этот выдающийся для своего времени эксперимент был приурочен к Международной электротехнической выставке и Международному конгрессу электротехников, которые проводились в 1891 г. во Франкфурте-на-Майне (Германия).

Организаторы франкфуртской выставки по инициативе видного немецкого электротехника О. фон Миллера предложили фирме АЕГ, в которой в то время работал Доливо-Добровольский, передать электрическим путем энергию водопада р. Неккар (близ местечка Лауфен) на территорию выставки во Франкфурт. Расстояние между этими двумя пунктами составляло 170 км. В Лауфене в распоряжение строителей передачи выделялась турбина, дававшая полезную мощность около 300 л. с.

Перед Доливо-Добровольским была поставлена весьма ответственная задача, если учесть, что до этого времени дальность электропередачи, не считая нескольких опытных установок, не превышала 15 км. Наиболее осведомленные о работах Доливо-Добровольского лица выражали опасение, что к. п. д. передачи может оказаться ниже 50%, а один германский специалист даже подсчитал, что при расстоянии 170 км к. п. д. электропередачи при напряжении около 30 кВ не будет превышать 12,5%.

В июле 1890 г правление фирмы АЕГ на основе заключения Доливо-Добровольского ответило принципиальным согласием осуществить электропередачу. Доливо-Добровольскому предстояло в течение года спроектировать и построить асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт и трехфазные трансформаторы мощностью 100 – 150 кВА. Постройка генератора была поручена главному инженеру швейцарского завода «Эрликон» Ч. Броуну, который сотрудничал с Доливо-Добровольским в области конструирования многофазных машин. Срок был чрезвычайно короткий, а задачи весьма ответственные: во-первых, новая система тока подвергалась испытанию перед лицом представителей всего мира, во-вторых, масштабы испытания были невиданными. Двигатели и трансформаторы на такие мощности еще никогда не строились. Об опытных конструкциях не могло быть и речи: трансформаторы и двигатели должны были быть впервые испытаны уже на выставке во Франкфурте, так как в Берлине, у АЕГ, не было соответствующего трехфазного генератора для испытаний двигателя большой мощности. Однако Доливо-Добровсльский не остановился перед трудностями. «Если я не хотел навлечь на мой трехфазный ток несмываемого позора и подвергнуть его недоверию, которое вряд ли удалось бы потом быстро рассеять, – писал он, – я обязан был принять на себя эту задачу и разрешить ее. В противном случае опыты Лауфен – Франкфурт и многое, что должно было затем развиваться на их основе, пошли бы по пути применения однофазного тока».

В январе 1891 г. был проведен предварительный опыт, который должен был рассеять сомнения в возможности высоковольтной передачи электроэнергии. Во дворе завода в несколько рядов была протянута двухпроводная линия длиной в несколько километров. Проведенные испытания на однофазном переменном токе при напряжениях от 16 до 33 кВ дали положительные результаты. Немедленно после этих испытаний началось строительство линии Лауфен – Франкфурт.

B августе 1891 г. на выставке впервые зажглись 1000 ламп накаливания, питаемые током от Лауфенской гидростанции; 12 сентября того же года двигатель Доливо-Добровольского привел в действие декоративный водопад. Энергетический цикл был замкнут. Небольшой декоративный водопад приводился в действие энергией другого водопада, удаленного от первого на 170 км. Это был триумф новой трехфазной системы тока, это было блестящее решение проблемы передачи энергии на большие расстояния.

Что же представляла собой эта первая линия электропередачи с применением трехфазного тока?

На гидроэлектростанции в Лауфене мощность турбины передавалась через коническую зубчатую передачу на вал трехфазного синхронного генератора (230 кВА, 150 об/мин, 95 В, соединение обмотки – звездой). От генератора медные шины вели к распределительному щиту. На последнем были установлены амперметры и вольтметры, свинцовые предохранители и максимально-минимальные токовые реле, воздействовавшие на цепь возбуждения.

В Лауфене и во Франкфурте находилось по три трехфазных трансформатора с призматической формой магнитопровода. В начале испытаний были включены на каждом конце линии по одному трансформатору мощностью 150 кВА каждый, имеющих коэффициент трансформации 154 (в Лауфене) и 116 (во Франкфурте). Поскольку приборов для измерения высокого напряжения не было, величину вторичного напряжения определяли простым умножением первичного напряжения на коэффициент трансформации. Трансформаторы были погружены в баки, наполненные смоляным маслом.

Трехпроводная линия была проведена на деревянных опорах со средним пролетом около 60 м. Медный провод диаметром 4 мм крепился на штыревых фарфоро-масляных изоляторах. Интересной деталью линии являлось устройство высоковольтных плавких предохранителей. В начале линии в разрыв каждого провода был включен участок длиной 2,5 м, состоявший из двух медных проволок диаметром 0,15 мм. Для отключения линии специальным приспособлением во Франкфурте устраивалось трехфазное короткое замыкание, плавкие вставки перегорали, турбина начинала развивать большую скорость, и машинист, заметив это, останавливал ее.

Рис. 4.14. Трехфазный асинхронный двигатель М. О. Доливо-Добровольского, изготовленный для Франкфуртской выставки

На выставочной площади во Франкфурте был установлен понижающий трансформатор, от которого питались примерно 1000 ламп накаливания, расположенных на огромном щите. Здесь же был установлен трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского (рис. 4.14), приводивший в действие гидравлический насос мощностью около 100 л. с. Двигатель был выполнен обращенным, т. е. с питанием со стороны ротора (таким путем Доливо-Добровольский снизил потери в стали двигателя, которые, как известно, тем больше, чем больше объем стали и частота ее перемагничивания. При выполнении двигателя обращенным больший объем стали статора перемагничивается с частотой скольжения, составляющей всего несколько процентов от частоты сети). Одновременно с этим мощным двигателем Доливо-Добровольский экспонировал асинхронный трехфазный двигатель мощностью около 100 Вт с вентилятором на его валу и двигатель мощностью 1,5 кВт с сидящим на его валу генератором постоянного тока; последний питал током лампы накаливания. Схема всей передачи (без приборов) для случая ламповой нагрузки представлена на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Схема Лауфен-франкфуртской электропередачи: Г – трехфазный синхронный генератор; Т1 и Т2 – трехфазные трансформаторы

Испытания электропередачи, которые производились международной комиссией, дали следующие результаты: минимальный к. п. д. электропередачи (отношение мощности на вторичных зажимах трансформатора во Франкфурте к мощности на валу турбины в Лауфене) – 68,5%; максимальный к. п. д. – 75,2%; линейное напряжение при испытаниях составляло около 15000 В.

Характерен заключительный вывод комиссии: «...работа линии с переменными токами напряжением от 7500 до 8500 В (фазное), изолированной маслом, фарфором и воздухом, длиной больше ста километров, протекала всегда равномерно, безопасно и без нарушений, как и работа с переменными токами напряжением в несколько сот вольт и при длине линии в несколько метров».

Однако, получив эти результаты, устроители электропередачи решили провести еще испытание линии на более высоком напряжении. Для этого в Лауфене и во Франкфурте включили по два других трансформатора (по 100 кВА) таким образом, чтобы их обмотки низкого напряжения соединялись параллельно, а обмотки высокого напряжения – последовательно (см. схему на рис. 4.16). Таким путем удалось получить напряжение, достигавшее 28 300 В. Нагружали линию при этих испытаниях только активной нагрузкой (лампы накаливания). Вторая серия испытаний дала следующий результат: при включенной во Франкфурте нагрузке 132 кВт и напряжении на линии передачи 25100 В был получен максимальный к. п. д., равный 78,9%.

Рис. 4.16. Схема второй серии испытаний электропередачи

Лауфен – Франкфурт

Электропередача Лауфен – Франкфурт подвела итог исследованиям в области многофазных токов. Трехфазный ток был блестяще продемонстрирован представителям многих стран мира. Так из всех возможных многофазных систем выбор был сделан в пользу системы трехфазного тока. Результаты Лауфен-франкфуртской передачи открыли этому роду тока широкий путь в промышленность.

4.5. Разработка основ теории переменного тока

Представления о развитии приводной техники в конце XIX и начале XX столетий были бы неполными, если бы не были рассмотрены некоторые важнейшие моменты в развитии теории переменного тока. Если теория постоянного тока начала разрабатываться практически одновременно с первыми открытиями свойств электрического тока, то вопросами теории переменного тока почти совершенно не занимались до второй половины 80-х годов XIX века. Лишь в отдельных работах Ленца, Якоби, Максвелла и некоторых других ученых можно было найти попытки анализа явлений, возникающих в цепях периодически изменяющихся токов.

Так, например, Б. С. Якоби, анализируя процесс наведения э. д. с. в электрической машине, писал в 1835 г.: «Согласно нашим наблюдениям и работам многих других ученых, электродвижущая сила магнитоэлектрических токов… прямо пропорциональна магнитной интенсивности железных стержней, числу витков и скорости всей системы...». Если иметь в виду, что под «магнитной интенсивностью» Якоби понимает величину магнитного потока, то следует признать, что Якоби дал в общем виде одну из основных формул для расчета электромагнитных устройств, которую, пользуясь современными обозначениями, можно представить в следующем виде:

Е = kfwФ,

где k – коэффициент пропорциональности;

f – частота;

w – число витков;

Ф – магнитный поток.

Эта формула уже давала некоторые количественные представления об электромагнитных процессах. Постепенно начиналось изучение таких явлений, как самоиндукция, сдвиг фаз, потери в стали. Так, Э. X. Ленц в 1847 г. установил, что переменный ток, наводимый в обмотках электрических машин, по времени не совпадает с электродвижущей силой. Это было первое наблюдение действия индуктивности. П. Н. Яблочков в 1877 г. наблюдал емкостные явления в цепи переменного тока, но не сумел дать, правильного объяснения этим явлениям. Максвелл в своих исследованиях пользовался представлениями о полном сопротивлении цепи, в которую входили омическое сопротивление и индуктивность. В 80-х годах процессы в цепях с индуктивностью или емкостью были уже использованы для практических целей в электроизмерительной технике и в трудах Феррариса, Тесла и других ученых и инженеров, работавших в области многофазных систем.

С самого начала 80-х годов началось глубокое изучение магнитных свойств стали, применявшейся в электромашиностроении. Эти исследования были вызваны, в частности, обнаруженными большими расхождениями между расчетными и опытными величинами потерь в машинах и трансформаторах. Английский ученый Юинг правильно увидел причину этих расхождений в неучтенных потерях на гистерезис. В 1885 г. были разработаны различные методы, позволившие снимать кривые намагничивания стали, которыми пользовались при расчетах магнитных цепей. В 90-х годах магнитные свойства стали глубоко изучались Ч. Штейнметцем, давшим эмпирическую формулу для определения потерь на гистерезис.

Однако все эти и некоторые другие открытия еще не могли составить прочную основу для развития теории переменного тока.

В условиях многолетнего господства техники постоянного тока явления в цепях переменного тока представлялись чрезвычайно сложными, запутанными, не поддающимися сколько-нибудь точному учету. Такое положение заставляло электротехников находиться в состоянии неуверенности, неверия в перспективы развития техники переменного тока и толкало их на проторенный путь совершенствования техники постоянного тока.

Немалую роль в столь замедленном развитии теории переменного тока сыграло то обстоятельство, что в числе ревностных сторонников техники постоянного тока были такие авторитетные в 80-х годах ученые, как М. Депре, Д. А. Лачинов и др. С другой стороны, ожесточенная конкурентная борьба сторонников постоянного тока против развития техники переменного тока приводила порой к не только ошибочным, но и вредным, задерживавшим прогресс, действиям. Так, например, в 1899 г. М. О. Доливо-Добровольский подготовил большой доклад о передаче электроэнергии переменным током, в котором собирался дать решительный отпор скептикам, сомневавшимся в экономичности электропередачи переменным током. Но уже подготовленный доклад не был разрешен к зачтению, так как правление фирмы АЕГ не хотело затрагивать интересы дружественной ей фирмы, специализировавшейся на выпуске машин и аппаратов постоянного тока. А в рукописи этого доклада Доливо-Добровольский, между прочим, указывал, что в ближайшем будущем электродвигатели переменного тока займут господствующее положение в системе электропривода промышленных предприятий. В конкурентной борьбе электротехнических фирм на стороне приверженцев постоянного тока активно выступал Эдисон, который, пользуясь своим авторитетом в инженерно-технических кругах, тормозил развитие техники переменного тока. В таком пристрастии известного изобретателя к постоянному току немалую роль играло то обстоятельство, что сам Эдисон возглавлял крупнейшую электротехническую фирму, специализировавшуюся на производстве и монтаже установок постоянного тока.

Все же в конце 80-х годов в разных странах начали появляться первые обобщающие теоретические исследования по переменному току. Существенным недостатком этих первых исследований явилось то, что они выполнялись в сложной математической, трудно читаемой форме и оказывались мало пригодными для практиков. Физическая сущность процессов в этих трудах отодвигалась на задний план.

Определенные успехи в начальном развитии теории переменного тока были достигнуты известным в то время электриком, впоследствии профессором Бирмингемского университета Г. Каппом, который, начиная с 1887 г., провел ряд ценных исследований в области теории трансформатора. В частности, в 1887 г. Капп вывел точную формулу для среднего арифметического значения электродвижущей силы, которая в современных обозначениях имеет вид:

,

где f – частота;

w – число витков;

Ф – магнитный поток.

На основе этой формулы можно было определить величину магнитного потока в стержнях трансформатора, а затем определить величину намагничивающего тока.

Существенный перелом в развитии теории переменного тока наметился в начале 90-х годов XIX века, и в этом важная роль принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому. Выступив в 1891 г. на Международном конгрессе электриков во Франкфурте-на-Майне, Доливо-Добровольский в большом докладе изложил развитые и четко сформулированные им основные положения теории переменного тока.

Доливо-Добровольский, рассматривая катушку, включенную на определенное напряжение, и развивая выводы Каппа, указывает, что величина магнитного потока целиком определяется величиной подведенного напряжения (если считать частоту и число витков заданными). Следовательно, величина магнитного потока не зависит от магнитного сопротивления; с изменением магнитного сопротивления меняется только величина намагничивающего тока, а поток остается таким же (если пренебречь падением напряжения в обмотке катушки). Это положение, которое Доливо-Добровольский называет первым основным положением теории переменного тока, действительно является исходным во всех расчетах электромагнитных устройств. Далее он указывает, что если магнитный поток изменяется синусоидально, то и э. д. с. (или, соответственно, напряжение) изменяется по закону синуса, причем э. д. с. и магнитный поток различаются по фазе на 90° или на 1/4 периода, «ибо э. д. с. является функцией скорости, с которой изменяется магнетизм». Исходя из этого, Доливо-Добровольский формулирует второе важное положение теории переменного тока: «напряжение и магнетизм не только количественно, но и качественно (по форме кривой) и по времени (по фазе) прочно связаны друг с другом».

Если в катушке не происходит тепловых потерь, то намагничивающий ток по фазе совпадает с магнитным потоком. Такой ток Доливо-Добровольский предложил называть «безваттным» или «возбудительным» током. Если же, напротив, весь ток расходуется на нагрев обмотки рассматриваемой катушки и не затрачивается на создание магнитного поля, то такой ток совпадает по фазе с напряжением, и его Доливо-Добровольский предложил называть «ваттным» или «рабочим» током. Эти термины в то время получили весьма широкое распространение, но впоследствии были заменены современными терминами «реактивный» и «активный».

«В действительности, – говорил далее Доливо-Добровольский, – ни возбудительный, ни ваттный ток в отдельности невозможны!». Однако из приведенных рассуждений непосредственно следует метод разложения любого тока на две составляющие. Этот метод и был рекомендован Доливо-Добровольским для практических расчетов и анализа процессов в электрических машинах и аппаратах.

Доливо-Добровольский рекомендовал принять в качестве основной формы кривой тока синусоиду. В отношении частоты тока он высказался за 30 – 40 Гц.

Нетрудно видеть, что Доливо-Добровольским были разработаны те положения, которые положены в основу современной теории переменного тока.

Несколько позднее, в 1892 г., Доливо-Добровольский разработал на базе сформулированных выше положений основы теории и проектирования трансформаторов. Этой своей работой он доказательно опроверг распространившееся ошибочное утверждение о том, что трансформаторы принципиально не могут быть экономичными аппаратами в электрических сетях. Теоретическим исследованием «О коэффициенте полезного действия трансформатора» Доливо-Добровольский заложил фундамент современной теории трансформаторов. В 90-х годах трудами ряда ученых (Эвершеда, Бен-Эшенбурга, Каппа и др.) были исследованы важнейшие вопросы теории трансформаторов, как то: рассеяние, падение напряжения, графический анализ и пр.

В 90-х годах сначала в трудах Доливо-Добровольского, а затем и в трудах других ученых начинают формироваться основы теории трехфазных машин. Еще Доливо-Добровольский дал первоначальный анализ распределения намагничивающей силы в трехфазной машине, исследовал некоторые вопросы параллельной работы синхронных генераторов, разработал руководящие принципы в проектировании электрических машин: распределенные по окружности статора и ротора обмотки, возможное уменьшение магнитного рассеяния, возможное уменьшение воздушного зазора в асинхронном двигателе, введение в машины переменного тока барабанного типа обмотки и полузакрытых пазов.

Большое значение для развития теории асинхронной машины всегда имела круговая диаграмма, которая дает наглядное представление о важнейших зависимостях между величинами, характеризующими работу машины. Теоретически существование круговой диаграммы для асинхронной машины обосновал в 1894 г. А. Гейланд. Более точную круговую диаграмму, учитывающую все потери в машине, построил в 1899 – 1900 гг. Осанна. В 1909 г. К. А. Круг дал точное математическое доказательство круговой диаграммы.

На основании развивавшейся теории совершенствовались конструкции машин, улучшалось использование активных материалов, улучшались сами материалы, систематически снижался вес машин на единицу мощности.

Так со временем все более и более четко формировались представления о новой электрической технике, развивалась теория, развивалось электротехническое производство.

Зарождение техники трехфазного тока явилось важнейшим этапом в развитии техники вообще. Это новое средство вывело электротехнику из кризисного состояния, которое сложилось в 80-х годах прошлого века. Благодаря трехфазному току была решена крупная энергетическая проблема конца XIX в. – проблема концентрированного производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния. Вместе с тем производительные силы получили новую техническую базу, которая во многом способствовала углублению и расширению процесса концентрации и централизации производства. Электрическая энергия в форме трехфазного тока из мест ее дешевого получения могла теперь передаваться в удаленные промышленные районы, вызвала энергетическое переоборудование промышленных предприятий и начала внедряться в технологию. Важнейшим следствием возникновения техники трехфазного тока явилась возможность быстрого развития электрификации народного хозяйства.

4.6. Краткое заключение

  1. В конце XIX в. в условиях углублявшегося и расширявшегося процесса концентрации и централизации производства назрела крупная энергетическая проблема – проблема передачи электроэнергии на большие расстояния и промышленного ее потребления. Только решение этой проблемы могло освободить промышленность от сковывавших ее местных энергетических условий.

  2. Техническим средством, позволившим решить проблему передачи электроэнергии на большие расстояния, явился трехфазный ток. Возможность возникновения техники трехфазного тока была подготовлена длительной историей исследований свойств вращающегося магнитного поля и возможностей его получения. В процессе изучения различных возможных многофазных систем было установлено, что наиболее экономичной и технически наиболее совершенной является система трехфазного тока.

  3. Основоположником техники трехфазного тока является М. О. Доливо-Добровольский. Его трудами была разработана во всех основных деталях новая комплексная область электротехники. Важнейшими изобретениями Доливо-Добровольского являются асинхронный трехфазный двигатель в двух его основных модификациях: с короткозамкнутым и фазным ротором; трехфазный трансформатор; несколько конструкций генераторов и трехфазный одноякорный преобразователь; основные схемы трехфазной цепи: трехпроводная и четырехпроводная.

  4. Генеральным испытанием системы трехфазного тока явилось сооружение и испытание передачи электроэнергии из Лауфена во Франкфурт-на-Майне. При протяженности линии передачи 170 км и напряжениях 15 кВ и около 30 кВ был достигнут к. п. д. 70 – 80%. Результаты Лауфен-франкфуртской передачи наглядно показали не только принципиальную возможность экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния, но и показали конкретные пути практического решения этой задачи.

  5. Успехи в развитии практической электротехники вызвали большой интерес ученых к вопросам теоретической электротехники, особенно теории переменного тока. В обстановке борьбы между сторонниками техники переменного тока и техники постоянного тока в 80-х и 90-х годах прошлого века трудами многих ученых были заложены основы теории переменного тока, теории трансформаторов и асинхронных машин.

  6. Возникновение техники трехфазного тока и решение проблемы электропередачи позволили приступить к осуществлению большого комплекса мероприятий по электрификации промышленности, транспорта, а позже и сельского хозяйства.

5. РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ МАШИН

5.1. Условия и стимулы развития машиностроения

Формирование и развитие крупного машинного производства в последней трети XIX – начале XX в. в значительной степени определялось возрастающими требованиями транспорта, строительства, военной техники, горного дела, металлургии. Для этих сфер производства в эпоху империализма характерен громадный рост, который, в свою очередь, стимулирует технический прогресс капиталистической промышленности в целом и в особенности развитие машинной индустрии.

Интенсивно растет в этот период мировая транспортная сеть. Являясь главным потребителем металла, угля, транспорт стимулировал рост горнодобывающей и топливной промышленности, металлургии и особенно таких отраслей машинной индустрии, как производство паровозов, пароходов, вагонов, специальных железнодорожных машин и оборудования, средств механизации для складов, портов и т. п.

В рассматриваемый период идет интенсивное качественное обновление средств транспорта. На железных дорогах появляются мощные локомотивы системы «компаунд», ставшие прообразом многих машин этого типа: дуплекс-компаунд, «Тектоник», «Грейт-Бритен» и др. Намного увеличились основные технико-экономические параметры локомотивов. Со времени применения первых паровозов их скорость возросла за 70 лет в 5 раз, мощность в 100 раз, сила тяги – в 30 раз. Развивается вагоностроение. Создаются новые типы вагонов, совершенствуются конструкции кузова, рессорных подвешиваний, буферных устройств, начинают широко использоваться пневматические тормоза. Появляются специальные вагоны для перевозки тяжелых машин и заводского оборудования, металлические вагоны для сыпучих продуктов, цистерны для наливных грузов.

Крупные технические сдвиги происходят и в водном транспорте. Увеличиваются размеры и водоизмещение кораблей, повышаются их скоростные характеристики и надежность. Водный транспорт, особенно военно-морской флот, стимулирует развитие паровых машин, использование паровых турбин.

Небывалый подъем испытывает в этот период строительная индустрия, развивающаяся в соответствии с запросами промышленности, транспорта, мировой торговли, военного дела. Интенсивное строительство заводов, фабрик, железных дорог, вокзалов, портов, каналов, военных сооружений потребовало создания строительной техники, различных типов дорожных, земляных, строительных машин: экскаваторов, специальных подъемных машин, главным образом кранов различной конструкции и назначения. Появляются мостовые краны для заводских цехов, железнодорожные и портальные краны. Для перемещения массовых сыпучих и штучных грузов получают применение ленточные, пластинчатые, качающиеся конвейеры.

С развитием машинной индустрии появились важнейшие технические нововведения в военном деле, которые впоследствии были использованы в мировой войне 1914 – 1918 гг. В свою очередь, высокоразвитая военная техника капиталистических государств служила одним из сильнейших стимулов для развития промышленного производства в целом, особенно военного машиностроения, станкостроения, двигателестроения, электротехники, приборостроения и т. д.

Создание машин нового типа повлекло необходимость качественного развития металлургии и горного дела. В свою очередь потребности горной промышленности, необходимость резкого увеличения добычи полезных ископаемых обусловили интенсивные изыскания в области механизации горных работ, привели к созданию врубовых машин, буровых станков, перфораторов, мощных подъемных машин и т. д.

Увеличение числа заводов и фабрик, рост городов и городского населения намного расширили внутренний рынок и увеличили спрос на продукты питания и сельскохозяйственное сырье, необходимое для обрабатывающей промышленности. Это создало необходимые предпосылки для развития сельского хозяйства, появления в этой области производства новой сельскохозяйственной техники, машин и оборудования для различных процессов земледелия и животноводства. Резко возрастает потребность в техническом оснащении отраслей промышленности, перерабатывающих продукты сельского хозяйства: масложировой, мукомольной, сахарной, мясной, молочной, винно-водочной, табачной.

Непрерывно возраставший спрос различных отраслей производства на машины создавал объективные стимулы и благоприятные предпосылки для бурного развития машиностроения. Но чтобы удовлетворить запросы развивавшейся промышленности, транспорта, военной техники, сельского хозяйства, машиностроение должно было вырасти качественно и количественно, превратиться в крупнейшую отрасль промышленного производства. Рассматриваемый период характеризовался прогрессом в области паровой энергетики, созданием более мощных паровых машин и, что особенно примечательно, появлением и бурным развитием электрического двигателя, ставшего основой машинного производства. Внедрение электрического привода позволило разработать многие типы металлорежущих станков, перейти к их широкому выпуску, обеспечить изготовление сложных энергетических, транспортных, горных, металлургических, сельскохозяйственных машин, изделий и оборудования для коммунальной и бытовой техники. Эти факторы и определяли характер развития машиностроения в последней трети XIX – начале XX в.

5.2. Особенности развития системы машин

В период с 70-х годов XIX в. до начала первой мировой войны объем продукции машиностроительной промышленности вырос в 5,5 раза. Наибольшая часть предприятий машиностроения была сконцентрирована в Англии, США и Германии, которые производили около 85% всей мировой машиностроительной продукции. Медленнее развивалось машиностроение во Франции, России, Австро-Венгрии, Италии.

По характеру выпускаемой продукции предприятия машиностроения этого периода можно разделить на две основные группы. К первой относились заводы, которые сосредоточивались на производстве машин какого-либо одного назначения. Это были главным образом предприятия, выпускавшие изделия, спрос на которые был очень велик: паровые машины и котлы, текстильные машины, металлообрабатывающие станки. Другую группу предприятий составляли заводы по производству машин и изделий разнообразного назначения. Эти универсальные машиностроительные предприятия наряду с паровыми и текстильными машинами выпускали и другое специализированное оборудование, например изделия для транспорта, горной промышленности, всякого рода механические приборы и т. п.

Рост выпуска машин, укрупнение фабрик и заводов сопровождались все большей специализацией производства. Специализация позволяла значительно совершенствовать технику, технологию и организацию производства и в конечном счете намного увеличивать выпуск машин и оборудования. На машиностроительных предприятиях узкоспециализированными становились участки, цеха, целые заводы. Осуществлялся постепенный переход от индивидуального к мелкосерийному, затем к серийному, крупносерийному и массовому производству.

Укрупнение и специализация предприятий, в свою очередь, вызывают все большую специализацию металлообрабатывающего оборудования. На узкоспециализированных станках обрабатывали одну деталь или выполняли только одну производственную операцию. Такое сужение функций станка при значительном росте его производительности создавало новые возможности для массового выпуска продукции, а также для последующей автоматизации самого процесса производства.

Развитие металлообработки шло под знаком повышения качества и рабочей скорости станков. Увеличение скоростей резания металла достигалось переходом от резцов из углеродистой стали к резцам из легированной стали, затем начали применять резцы из особых сверхтвердых сплавов. Совершенствование режущих инструментов, экспериментальные и теоретические исследования процессов металлообработки, новые изобретения в этой области способствовали значительному улучшению конструкций станков, росту их мощности. Это заставляло совершенствовать привод станков и способы управления ими.

Все более острой становится проблема двигателя в машиностроительной промышленности. Паровая машина, долгие годы господствовавшая в машиностроении, все больше ограничивала дальнейшее развитие машинного производства. Паровой привод был громоздким, немобильным, создавал большие трудности для передачи и распределения энергии по отдельным рабочим машинам. К тому же источники топлива по мере истощения местных ресурсов все более удалялись от мест потребления, что неизбежно удорожало эксплуатацию паровых машин.

Выход из положения мог быть найден только в создании новой энергетической базы машинного производства. Такой базой явилась электроэнергетика, широкое использование электрической энергии и электрического привода в машиностроении. Электродвигатель коренным образом изменил процесс приведения в движение рабочих машин, сделал привод машин надежным, удобным и экономичным. Исчезали громоздкие трансмиссии в цехах заводов, намного уменьшались потери энергии в промежуточных передачах, значительно улучшалось использование фабрично-заводских помещений. Переход от универсальных металлорежущих станков к узкоспециализированным и внедрение электрического привода стали наиболее характерными чертами развития машиностроения в последней трети XIX – начале XX в.

Специализация производства и использование электропривода привели к тому, что машинный парк стал представлять собой систему самых разнообразных, весьма производительных машин, способных заменять труд человека в важнейших отраслях производства. С помощью машин производилось сложное машинное оборудование, аппараты, приборы, изделия производственного и бытового назначения. Машиностроение становилось основой основ всего промышленного производства.

Претерпела изменения и организация машинного производства.

Простая кооперация однородных или разнородных рабочих машин, которая составляла основу механической обработки начального периода капитализма, постепенно и во все большем масштабе уступает место расчлененной системе машин. Наиболее активно она формировалась в машиностроении. Здесь система машин представляла собой сложную совокупность разнородных, но одновременно действующих машин, которые получали движение уже не от одного общего двигателя, а от индивидуальных двигателей при каждой рабочей машине или при группе машин. В системе машин предмет труда проходит последовательно ряд взаимосвязанных частичных процессов, которые выполняются цепью разных, дополняющих одна другую рабочих машин. Таким образом, один цех, а иногда и целое предприятие представляли собой гигантскую комбинированную систему, состоявшую из десятков и сотен рабочих машин различного типа.

Необходимость обеспечить непрерывность рабочих процессов в развитой системе машин предполагает строго определенное соотношение между числом, размерами, мощностью и быстротой действия машин. Это требует также согласования всех фаз производственного процесса, высокого уровня механизации основных и вспомогательных операций.

Непрерывность производственных процессов – характерная черта развития машинной индустрии, которая, в конечном счете, приводит к созданию автоматических машин и автоматизированной системы производства. В рассматриваемый период в машиностроении шел процесс развития расчлененной системы машин на основе совершенствования металлорежущих станков, углубления их специализации, внедрения электрического привода.

5.3. Технический прогресс станкостроения

Непрерывно возраставшее значение машин во всех отраслях производства вызвало бурное развитие станкостроения – технической базы всей машиностроительной промышленности. Металлообрабатывающие станки явились основой производства машин машинами. Их назначение – обработка всевозможных металлических заготовок с целью получения деталей определенной конфигурации, с заданными размерами, формой и качеством. Чем больше масштабы производства машин, тем более массовым должен быть выпуск деталей, тем более совершенными и производительными должны быть станки, обеспечивающие обработку необходимых деталей. Механический суппорт, примененный вначале для токарных и токарно-винторезных станков, был впоследствии превращен в весьма совершенный механизм и в модернизированной форме перенесен на многие станки, предназначенные для изготовления машин.

По мере совершенствования механического суппорта, системы зубчатых передач, механизма подачи, зажимных устройств и некоторых других конструктивных элементов кинематической схемы металлорежущие станки превращаются во все более развитые машины. В 70-х годах XIX в. машиностроение уже располагало основными рабочими машинами, позволявшими производить механическим способом важнейшие металлообрабатывающие операции.

Выдающуюся роль в развитии станкостроения сыграл машиностроительный завод, созданный Генри Модсли. По существу это была настоящая школа механиков-машиностроителей, развивавших прогрессивные технические традиции основателя английского станкостроения. Здесь начинали работу и творческую деятельность такие видные конструкторы, исследователи и изобретатели в области машиностроения, как Д. Витворт, Р. Робертс, Д. Несмит, Д. Клемент, Э. Уитни и др. Существенно то, что на заводе Модсли была применена уже машинная система производства: трансмиссиями соединялось большое число рабочих машин, приводимых в движение универсальным тепловым двигателем. Этот завод изготовлял вначале детали для паровых машин, а в дальнейшем выпускал токарные, строгальные и другие механические станки. По образцу завода Г. Модсли (впоследствии завод фирмы «Maudslay and Field») начали создаваться многие машиностроительные предприятия.

Ведущее положение в мировом станкостроении заняли заводы фирм «Nasmyth», «Whitworth», «Sharp and Robert» в Англии, «S. Sellers», «Pratt and Whitney», «Brawn and Sharp» в США. В 70 – 90-х годах американские предприятия, освоив выпуск новых типов станков (токарно-револьверных, универсально-фрезерных, карусельных, расточных, шлифовальных), начали опережать в техническом отношении английское станкостроение. В Германии производство станков начало развиваться в основном с 60 – 70-х годов XIX в. Здесь возникли фирмы «Reinecker», «Schiss», «Heimer und Рielz», «Waldrich», «Weisser» и др.

В России станки для оружейного производства (токарные, сверлильные фрезерные, резьбонарезные, протяжные, шлифовальные, полировочные) изготовляли на Тульском оружейном заводе. В дальнейшем такие станки начали строить Ижевский, Сестрорецкий, Луганский заводы. Основанный в Москве завод бр. Бромлей стал первым русским специализированным станкостроительным заводом (см. рис. 5.1); на Всероссийской выставке в Петербурге в 1870 г. он выставил несколько оригинальных станков: радиально-сверлильный, продольно-строгальный, поперечно-строгальный. На политехнической выставке в Москве в 1872 г. завод получил золотую медаль за экспонированные продольно-строгальные и колесо-токарные станки. В 1900 г. завод бр. Бромлей успешно демонстрировал свою продукцию на Всемирной промышленной выставке в Париже. Появились в России и другие станкостроительные предприятия: «Фельзер» в Риге, «Феникс» в Петербурге, «Штолле» и «Вейхельт» в Москве, завод бр. Маминых в Балакове, «Столь» в Воронеже, заводы Грачева и Доброва в Москве. Однако в целом выпуск станков в России был незначительным даже в 900-х годах; он не удовлетворял потребности развивавшейся промышленности ни по количеству, ни по техническому уровню. Это и служило причиной значительного импорта зарубежных станков для российских заводов и фабрик.

Рис. 5.1. Токарный станок завода «Бромлей» (Россия, 1915 г.)

Мировое станкостроение в последней трети XIX в. располагало пятью основными типами металлорежущих станков. Преобладающую часть станочного парка составляли токарные станки, которые применяли для обработки наружных и внутренних поверхностей тел вращения. На токарных станках обтачивали гладкие и ступенчатые валы, конусы, шары, различные фасонные поверхности, растачивали цилиндры, отверстия, нарезали резьбу. Вторую многочисленную группу составляли сверлильные станки, предназначавшиеся для сверления и обработки отверстий, а также для расточки и нарезки резьбы. Строгальные станки, подразделявшиеся на горизонтальные и вертикальные (долбежные), служили для обработки плоских поверхностей изделий. Расширялось использование фрезерных станков для обработки наружных и внутренних поверхностей особенно точных деталей, а также для получения изделий фасонной конфигурации. Наконец, пятую группу металлообрабатывающего оборудования составляли шлифовальные станки, на которых проводили чистовую обработку деталей различной формы с помощью абразивных материалов и инструментов.

В свою очередь, специализированные типы станков дифференцировались по характеру выполняемых в производственном процессе технологических операций. Появляются станки, предназначенные для выполнения одной определенной или нескольких аналогичных операций. Так, в группе универсальных токарных станков появился специализированный станок для растачивания длинных цилиндрических и полых изделий (типа орудийных стволов и гребных валов). Был создан горизонтально-расточный станок, предназначенный для точной расточки внутренних поверхностей. Специфика обработки крупных деталей малой длины и большого диаметра вызвала появление токарно-лобовых станков. Для тяжелых, крупногабаритных изделий, которые трудно установить на обычных токарных станках, создаются токарно-карусельные станки. Видную роль в металлообработке начинают играть токарно-револьверные станки, снабженные специальной револьверной головкой, в которой закрепляют разнообразные режущие инструменты. Некоторые станки револьверного типа позволяли устанавливать в одной головке до 12 – 16 инструментов.

Дифференцируются и другие типы станков. Из сверлильных выделяются радиально-сверлильные станки, предназначенные для сверления и последующей обработки отверстий в деталях больших габаритов, которые не могут устанавливаться на обычных сверлильных станках. Для строгания плоскостей крупных корпусных деталей (типа рам, станин, корпусов машин) создаются мощные продольно-строгальные станки с движущимся столом длиной 3 – 4 м и более. Появляются продольно- и карусельно-фрезерные станки, позволяющие обрабатывать одновременно по нескольку массивных деталей. Наряду с обычными шлифовальными станками конструируются круглошлифовальные станки для наружного шлифования, для внутреннего шлифования и т. д. Создается оборудование, специально предназначенное для нарезания зубьев в зубчатых колесах: зубофрезерные, зубодолбежные, зубострогальные станки. Усложнение деталей машин и специализация металлообработки приводят к появлению шлицефрезерных, шпоночно-фрезерных, протяжных, хонинговальных и других специальных станков.

Повышение производительности металлообрабатывающего оборудования требовало возможно большей механизации основных и вспомогательных операций, сокращения непроизводительных затрат времени. В то же время сужение функций станков прямо вело к упрощению выполняемых ими операций и тем самым создавало благоприятные условия для внедрения автоматических процессов. Были созданы полуавтоматические и автоматические станки, у которых подвод режущего инструмента в рабочее положение, подача инструмента и отвод его после работы в исходное положение совершались автоматически, без участия человека.

Первыми автоматизированными станками были деревообрабатывающие автоматы, сконструированные в США К. Випплем и Т. Слоаном. Один из первых металлорежущих автоматов создал американец X. Спенсер в 1873 г. на базе револьверного станка. В качестве управляющего устройства в этом автомате использованы кулачки и распределительный вал. Появившиеся в 70 – 80-х годах автоматы системы «Кливленд» имели устройства для накатки резьбы, для быстрого сверления отверстий, нарезания шлицев, фрезерования четырех плоскостей. Получили также распространение автоматы системы «Brawn and Sharp» и др.

Технический прогресс станкостроения привел к созданию в 90-х годах XIX в. многошпиндельных станков-автоматов; их появление было вызвано стремлением максимально увеличить число одновременно работающих инструментов и тем самым повысить производительность станка с помощью совмещения операций. В многошпиндельных автоматах могли включаться в работу десятки фасонно-отрезных, проходных и осевых инструментов. Однако в этот период станки такого типа еще не получили широкого применения.

Применение инструментов из быстрорежущей стали и твердых сплавов привело к постепенному изменению конструкции оборудования, к появлению так называемых «быстрообрабатывающих станков». Чтобы полностью использовать режущие свойства новых инструментов, конструкторы при проектировании станков должны были обеспечить большие усилия резания и большие скорости, чем при работе резцами из углеродистой стали. Потребовались большая мощность привода станков, большее число ступеней скоростей, более быстрое управление и обслуживание. Известный технолог проф. А. Д. Гатцук в предисловии к книге Ф. Тейлора писал, что появление быстрорежущей стали открыло новую эру в механическом деле.

Важной особенностью техники машиностроения конца XIX – начала XX в. было повышение точности производства машин. Во многом это было связано с работами известного английского станкостроителя Д. Витворта, внесшего в машиностроение принципы и методы точной работы. Витворту принадлежит изобретение первой измерительной машины; он ввел в практику машиностроения измерительные калибры и добился возможности измерять обрабатываемые поверхности с точностью до сотых, а позже и до тысячных долей миллиметра. Калибры Витворта, допускавшие точность пригонки машинных деталей порядка одной десятитысячной доли дюйма, составляли уже в 80 – 90-х годах неотъемлемую принадлежность каждого крупного машиностроительного завода в Европе и Америке. В последние годы жизни Витворта его предприятие могло изготавливать измерительные машины, обеспечивавшие точность до одной миллионной доли дюйма. На заводе Витворта были впервые реализованы принципы стандартизации и взаимозаменяемости резьбы на винтах, нашедшие впоследствии широчайшее применение в машиностроении и ставшие основой создания унифицированных и стандартных деталей и узлов машин.

Изготовление многочисленных деталей и частей машинного оборудования на специализированных и высокопроизводительных металлорежущих станках с соблюдением методов точных измерений, на прочной основе нормалей, стандартов и принципов взаимозаменяемости деталей подготовило техническую базу для перехода машиностроения к серийному и массовому производству изделий.

5.4. Промышленный электропривод

Развитие машин-двигателей в последней трети XIX в. шло в нескольких направлениях. Прежде всего, продолжалось, насколько это было возможным, совершенствование паровых машин, которые оставались основными энергетическими машинами на протяжении всего XIX столетия. В конце века в связи с развернувшимся строительством электростанций и крупных океанских судов быстро росли размеры и рабочие скорости стационарных паровых машин. Появились новые типы паровых котлов и более экономичные машины с числом оборотов от 200 до 600 в минуту, однако мощность их, как оказалось, можно увеличивать лишь до определенных пределов. Строились также машины очень больших габаритов (с мощностью до полутора десятков тысяч лошадиных сил), но они допускали невысокое число оборотов и были малоэкономичными.

К концу века появляются промышленные образцы паровых машин-двигателей вращательного типа. В 1889 г. шведский инженер К. Лаваль создал одноступенчатую активную паровую турбину небольшой мощности. При этом Лаваль решил ряд важных задач не только турбиностроения, но и машиностроения в целом. Он изобрел расширяющее сопло, дающее возможность превращать энергию давления пара в энергию скорости, сконструировал рабочий диск турбины так, что при вращении колесо надежно сопротивлялось разрывавшим его огромным силам инерции. Прибегнув к смелому техническому решению, изобретатель построил турбину с гибким валом, подтвердив на практике гипотезу о том, что при очень быстром вращении гибкий вал становится прямым. Наконец, Лаваль построил к своей турбине редуктор.

Предпосылкой практического внедрения паровой турбины было возникновение машин-орудий с высоким числом оборотов. К таким машинам-орудиям относились, например, дисковые пилы деревообрабатывающих заводов, для приведения в действие которых успешно начали применять паровые турбины. Машиной, для которой Лаваль использовал изобретенную им турбину, был сепаратор, применяемый в пищевой промышленности для отделения сливок от молока и требующий 6 – 7 тыс. об/мин. В 1893 г. на Чикагской всемирной выставке демонстрировались турбины Лаваля мощностью около 5 л. с. с числом оборотов 30 тыс. в минуту. Позднее одноступенчатые турбины Лаваля достигали мощности 300 л.с.

В 80 – 90-х годах ведутся работы по созданию и практическому использованию многоступенчатых реактивных турбин. Изобретатель турбины Ч. Парсонс (1884 г.) создал агрегат, который можно считать предшественником турбогенератора. К концу 90-х годов машиностроительный завод Парсонса освоил выпуск надежных в эксплуатации паровых турбин разного назначения. Этим было положено начало последующему крупному росту турбостроения в Англии, Германии, США, Франции и других странах.

Развитие техники машиностроения подготовило возможность реализации па практике идеи создания двигателей внутреннего сгорания. В 70 – 90-х годах XIX в. были созданы различные типы двигателей внутреннего сгорания (газовый двигатель Н. Отто, бензиновый двигатель Г. Даймлера, двигатель высокого сжатия Р. Дизеля, способный работать на тяжелом топливе). В течение одного-двух десятилетий двигатель Р. Дизеля получил массовое распространение в производстве, особенно для тяжелых самоходных машин – тракторов, кранов, экскаваторов, бульдозеров, а также для транспортных машин различного назначения.

В конце века появляется еще один тип теплового двигателя – газовая турбина, впервые построенная русским морским инженером П. Д. Кузьминским в Кронштадте в 1893 – 1897 гг. Однако развитие и внедрение газовых турбин из-за ряда технических трудностей стало возможным только во второй четверти XX столетия и в последующие годы.

По мере развития и усложнения производственной техники и необходимости дробления механической энергии паровая машина все более переставала быть универсальным двигателем. Ее функции постепенно и во всевозрастающем объеме переходят к другим, более совершенным и более эффективным машинам-двигателям. Паровая турбина становится двигателем электрогенераторов и крупных морских судов, дизель – двигателем локомотивов, судов, тракторов, экскаваторов; в автомобилях же и самолетах устанавливают легкий и экономичный бензиновый мотор.

В многочисленных рабочих и технологических машинах главным становится электрический двигатель. Применение в промышленности электропривода вместо паровых машин позволяло концентрировать производство электроэнергии на крупных электрических станциях, что вело к существенному упрощению системы промышленного энергоснабжения и к значительному ее удешевлению. Электропривод обеспечил широкое развитие разнообразных типов металлообрабатывающих станков, подъемных машин, лифтов, конвейеров, мотор-вагонов, погрузочно-разгрузочных машин и многих других видов производственной техники. В 80 – 90-х годах основным электрическим двигателем, применявшимся в промышленности, был двигатель постоянного тока. Основную сферу применения электропривода постоянного тока составляли крупные машинные агрегаты типа прокатных станов, шахтных подъемных машин и некоторые другие виды оборудования (рис. 5.2).

По мере дальнейшего развития электротехники, позволившего создать экономически выгодную и технически несложную систему трехфазного тока, открывались широкие возможности применения в промышленном производстве асинхронных двигателей переменного тока. Трехфазные двигатели могли широко использоваться в металлорежущих станках, в горных, строительных и текстильных машинах, в конвейерах, насосах, вентиляторах и т. д.

Простота конструкции асинхронного двигателя, особенно с коротко-замкнутым ротором, позволила устанавливать в цехе или на заводе сотни и тысячи таких двигателей. Асинхронные двигатели, надежные в эксплуатации, могли изготовляться герметически закрытыми, и, следовательно, их можно было использовать в самых тяжелых условиях: при повышенной влажности, в атмосфере бензиновых паров, различных газов и т. п. Асинхронные двигатели без повреждений выдерживают значительные кратковременные перегрузки. К концу 90-х годов электромашиностроительные заводы различных стран уже выпускали асинхронные двигатели в большом количестве и в широком диапазоне мощностей.

Внедрение электрического привода играло революционизирующую роль в промышленном производстве. Сначала электродвигатели устанавливали для привода отдельных машин и станков большой мощности. Затем в цехах предприятий стали заменять паровую машину, выполнявшую функции центрального привода, электродвигателем. Так создавался групповой электропривод с многочисленными трансмиссиями в цеху. Это неизбежно создавало повышенную опасность при работе и обусловливало тяжелые производственные условия. Трансмиссионные передачи представляли собой систему основных и распределительных валов с насаженными на них шкивами, от которых движение с помощью ремней передавалось на шкивы станков. Вся система получала вращение от мощного центрального двигателя, расположенного в цеху или вне цеха. В течение многих десятилетий трансмиссии были важной и неотъемлемой частью большинства машиностроительных, текстильных, пищевых, деревообрабатывающих и других предприятий. От расположения трансмиссионных установок (как при паровом, так и электрическом приводе) зависели технологические процессы, наличие и состав подъемно-транспортных устройств, конструктивные формы заводских помещений.

Рис. 5.2. Лобовой токарный станок с приводом от электродвигателя (Франция, конец XIX века)

В дальнейшем в связи с непрерывным ростом числа приводимых от одного двигателя рабочих машин энергию центральной двигательной установки начали рассредоточивать на несколько двигателей, размещенных в здании цеха. Единую трансмиссию делили на участки, обслуживавшие отдельные группы; такая групповая трансмиссия позволяла с большей гибкостью и надежностью управлять станками. Характерным примером группового электропривода может служить один из цехов Сестрорецкого оружейного завода, где в 1911 г. все металлорежущие станки были объединены в группы, каждая из которых предназначалась для одного вида работ и приводилась в действие общим электродвигателем через единый вал.

Совершенствование промышленных электродвигателей обусловило целесообразность применения для привода станков одиночного, или индивидуального, электропривода. Такой привод, соединенный лишь с одним станком, освобождает цехи промышленных предприятий от многочисленных трансмиссий, уменьшает холостые ходы машин, намного сокращает непроизводительные потери энергии. Индивидуальный электропривод позволяет каждому отдельному исполнительному механизму работать при наивыгоднейших скоростях; он дает возможность значительно ускорить процессы пуска и изменения направления вращения. Этапы развития электропривода иллюстрируются рис. 5.3 на примере радиально-сверлильных станков.

Рис. 5.3. Эволюция радиально-сверлильных станков на различных этапах развития электропривода: а – групповой электропривод с трансмиссионными передачами; б, в, г – индивидуальный электропривод с различной конструктивной компоновкой; д – многодвигательный электропривод

Индивидуальный электропривод существенно повлиял и на конструкцию самих рабочих машин. Слияние приводного двигателя с исполнительным механизмом получалось иногда настолько тесным, что конструктивно они представляли собой единое целое. Наиболее гармоничная конструктивная связь электропривода со станком осуществлялась при использовании фланцевых электродвигателей, которые выпускались в горизонтальном и вертикальном исполнении и могли непосредственно присоединяться к механизмам станков без промежуточных ременных передач. Фланцевые двигатели получили применение прежде всего для привода высокоскоростных шпинделей сверлильных, расточных, шлифовальных, полировальных и деревообрабатывающих станков. Эффективным оказалось использование в качестве индивидуального привода встроенных электродвигателей и особенно двигателей с изменяемым числом оборотов (регулируемый привод). При электрическом или электромеханическом регулировании скорости создаются возможности значительного упрощения кинематической схемы металлорежущих станков.

В начале XX в. преимущества использования индивидуального электропривода в различных отраслях производства, особенно в машиностроении, были доказаны. Такой привод на базе трехфазного тока получил широкое применение в промышленности. Этому способствовало и то, что электромашиностроительные предприятия освоили выпуск крупных серий асинхронных двигателей сравнительно небольшой мощности, предназначенных для металлорежущих станков, а также для ткацких, прядильных, полиграфических, деревообрабатывающих и других машин. Трехфазные электродвигатели очень быстро стали проникать не только на механические, но и на цементные и кирпичные заводы, на текстильные и бумажные фабрики, в рудники и шахты. Развитие индивидуального электропривода рабочих машин привело к еще более совершенной системе – многодвигательному электроприводу. В этом случае уже не только сама машина, но каждый исполнительный механизм единой машины приводится в движение отдельным электродвигателем. Например, в металлорежущем станке один двигатель приводит во вращение шпиндель, другой обеспечивает подъем или опускание рабочего органа, третий – поворот и т. д. Такой привод обычно снабжен развитой системой регулирования и автоматики.

В первых десятилетиях XX в. многодвигательный привод был осуществлен прежде всего в радиально-сверлильных и шлифовальных станках. Так, в станке для шлифовки шеек вагонных осей устанавливали шесть двигателей: два из них вращали шлифовальные круги, два обеспечивали подачу кругов в процессе обработки, один вращал обрабатываемую деталь и один приводил в действие насос и гидравлический домкрат. Впоследствии многодвигательный электропривод, обеспечивающий автоматическое выполнение технологических операций и согласование отдельных движений, получил большое распространение в станкостроении. Вследствие сокращения вспомогательных операций, более точного и плавного регулирования скорости существенно повысилась производительность станков, облегчился труд рабочих, улучшилось качество изделий. Существенные преимущества многодвигательного привода стимулировали его использование в горных, металлургических, текстильных, полиграфических и многих других машинах.

5.5. Краткое заключение

1. Возрастающие требования транспорта, строительства, военной техники, горного дела, металлургии обусловили в последней трети XIX – начале XX в. формирование и развитие крупного машинного производства. Для этих сфер производства характерен существенный рост, который, в свою очередь, стимулирует технический прогресс промышленности в целом и в особенности развитие машинной индустрии.

2. Усиливающаяся специализация позволяла значительно совершенствовать технику, технологию и организацию производства. На машиностроительных предприятиях узкоспециализированными становились участки, цеха, целые заводы. Осуществлялся постепенный переход от индивидуального к мелкосерийному, затем к серийному, крупносерийному и массовому производству. В промышленное производство активно внедрялся электрический привод.

3. Непрерывно возраставшее значение машин во всех отраслях производства вызвало бурное развитие станкостроения – технической базы всей машиностроительной промышленности.

4. В многочисленных рабочих и технологических машинах главным становится электрический двигатель. Применение в промышленности электропривода позволяло концентрировать производство электроэнергии на крупных электрических станциях, что вело к существенному упрощению системы промышленного энергоснабжения и к значительному ее удешевлению. Электропривод обеспечил широкое развитие разнообразных типов металлообрабатывающих станков, подъемных машин, лифтов, конвейеров, погрузочно-разгрузочных машин и многих других видов производственной техники.

РОЛЬ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В СИСТЕМЕ ПРИВОДНОЙ ТЕХНИКИ

Процесс вытеснения пара электричеством совершался параллельно с прогрессом методов генерирования и передачи электроэнергии на расстояние, с успехами в создании электродвигателей и в разработке рациональных систем электропривода.

Основной технический вопрос, который стоял в начале 1900-х годов перед инженерами по электрооборудованию промышленных предприятий, заключался в выяснении преимуществ групповой и одиночной систем привода. Актуальность этого вопроса проистекала из потребности найти наиболее экономичный способ передачи и распределения механической энергии. Первоначально полагали, что одиночный привод требовал лишь дополнительных расходов на новые двигатели и электрическую передачу энергии. На старых предприятиях замена крупногруппового привода одиночным затруднялась или просто была невозможна из-за отсутствия места для расстановки электродвигателей. Поэтому переход к одиночному электроприводу на предприятиях с налаженным производством был сопряжен с коренной реконструкцией цехов.

Чтобы судить об экономичности различных систем привода, изучали эксплуатационный опыт и ставили специальные эксперименты. Такие исследования проводились в Германии, Франции, России и других странах. В первом десятилетии XX в. довольно отчетливо стали вырисовываться достоинства и недостатки обеих систем. Одиночный привод был гигиеничнее и безопаснее, сокращал время обработки сырых материалов и увеличивал производительность труда. Его чаще применяли в тех случаях, когда станки располагались на большой площади, а время их работы не совпадало. Групповой привод все еще одерживал верх при коротких трансмиссиях и тогда, когда нужно было приводить в движение серии станков, мощности которых не превосходили 3 – 5 л. с.

Первое десятилетие XX в. ознаменовалось существенными усовершенствованиями электрических машин. В эти годы развернулись научные исследования физических процессов в электромагнитных механизмах. Качество электрических машин удалось заметно повысить с получением новых ферромагнитных сплавов, идущих на изготовление остова. Например, в Германии были получены сплавы, отличавшиеся большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, что обеспечивало незначительные потери энергии в железе. Уточненные методы расчета, освоение рациональной технологии обработки деталей и разработка эффективных конструктивных форм также содействовали успеху. Все эти меры вели к уменьшению веса и снижению стоимости двигателей. Особенно сильно подешевели мелкие двигатели. По данным немецкого проф. Кюблера, цена двигателя переменного тока мощностью 1 л. с. упала с 450 марок в 1900 г. до 160 марок в 1908 г. Снижение цен прямо зависело от усовершенствования электродвигателей: за это же время затрата материалов на изготовление асинхронных двигателей сократилась более чем в два раза. Заметно уменьшился и вес машин постоянного тока: со второй половины 80-х годов XIX в. до 1912 г. вес электродвигателей снизился в 3,5 раза.

Наряду с массовым выпуском наиболее ходовых двигателей ведущими мировыми электротехническими фирмами («AEG», «General Electric», «Westinghouse», «Siemens& Halske», «Brown, Boveri & C°» и др.) осваивались электродвигатели специального назначения, предназначенные для привода наиболее ответственных исполнительных механизмов: прокатных станов (мощностью 10, 15 и даже 17 тыс. кВт), горнозаводского оборудования, в том числе подъемников, вентиляторов и т. п. Разработка специальных электродвигателей получала все большее развитие по мере того, как внедрялась новая форма организации производства – массовое производство, характерной чертой которого становилась специализация машин и инструментов.

Распространению одиночного электропривода содействовали достижения в создании электрических средств регулирования скоростью. Был создан встроенный одиночный привод, при котором двигатель и рабочая машина представляли собой единую конструкцию. Существенно упрощалась кинематика станков, повысилась их производительность, уменьшился расход энергии. Такой вид привода представлял собой более высокую ступень развития систем передачи энергии и получил со временем название индивидуального привода. Его появление было необходимой предпосылкой для создания автоматических электроприводов.

На повышение экономичности электропривода влияли успехи общего машиностроения и металлургии. Вместе с улучшением качества сталей повышались допустимые скорости вращения станков, что позволяло сблизить электрический двигатель и машину-орудие, отказываясь от промежуточных механических передач. Повышение скорости резания при введении инструментов из новых, более стойких материалов также заставляло конструкторов приближать двигатель к исполнительному механизму. Эти и некоторые другие факторы способствовали распространению одиночного привода, нашедшего первоначально наибольшее применение в промышленности США. Статистические данные свидетельствовали о быстром снижении средней мощности выпускавшихся американской промышленностью электродвигателей: в 1907 г. – 3,71 л. с, а в 1908 г. – 3,26 л. с. Такие электродвигатели применяли в прогрессировавшем в тот период одиночном электроприводе. Массовое применение одиночного привода за границей и в России началось в текстильном производстве.

К началу 1900-х годов относится появление еще одного звена в эволюции систем привода – зарождение многодвигательных агрегатов. Прежде всего нашли применение электрифицированные мостовые краны с отдельным двигателем для каждого рабочего движения. В 1905 г. в США был запатентован многодвигательный электропривод для бумагоделательной машины; вскоре получил признание многодвигательный привод крупных шлифовальных станков, выпускавшихся заводом «Рейнекер» (Германия).

Несмотря на появление прогрессивных форм привода, преобладающим оставался групповой и реже – одиночный с ременной передачей от двигателя к машине-орудию. Тем не менее, революционизирующее воздействие электропривода проявилось в полной мере в промышленном производстве в начале 900-х годов. Ни одно вновь вводимое крупное предприятие не ориентировалось на старый, трансмиссионный способ передачи механической энергии.

Другая техническая проблема при электрификации силовых процессов заключалась в рациональном выборе системы токов: постоянного или переменного трехфазного. Двигатели постоянного тока удерживали первенство там, где требовалось удобное и экономичное регулирование скорости вращения в широких пределах, а также при частом реверсировании. Выбор двигателей того или другого рода тока нуждался в индивидуальном решении.

Постепенно практика убеждала в большей надежности асинхронных двигателей при массовой электрификации машин-орудий. По американской статистике за 1905 г., на долю коллекторов и щеткодержателей машин постоянного тока приходилось 28% всех повреждений в электрических установках. По немецким данным за 1912 г., выход из строя электродвигателей постоянного тока составлял 11,5%, а для электродвигателей переменного – 9%.

За всю историю развития электропривод претерпел радикальные изменения, прошел путь от примитивного группового привода (общий двигатель – много трансмиссий – простые рабочие агрегаты) до высокоинтеллектуального, встраиваемого в технологические машины и осуществляющего сложнейшие операции в условиях изменяющихся внешних воздействий. Особенно сильно электропривод изменился за последние 20 – 25 лет, и главной причиной этих изменений стали успехи силовой электроники. Появились транзисторы, переключающие с частотой десятки килогерц токи в сотни ампер, стали штатным элементом совершенные контроллеры на микропроцессорных средствах, позволяющие просто решать сложнейшие задачи управления.

Жизнь не стоит на месте. Производственные технологии стремительно развиваются и необходимо четко сознавать, что краеугольным камнем в этих процессах является автоматизированный электропривод.

1

Смотреть полностью


Скачать документ

Похожие документы:

  1. Междисциплинарный научно-практический сборник

    Документ
    Современный мир столкнулся с системным кризисом цивилизации. Если раньше мы могли прогнозировать и планировать развитие общественных институтов, экономики, то сейчас общество ежедневно оказывается лицом к лицу с непредвиденными ситуациями.
  2. Развитие региональной системы внешней оценки качества общего образования 13. 00. 01. общая педагогика, история педагогики и образования

    Автореферат диссертации
    Защита состоится 29 марта 2012 г. в 9.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.022.02 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Бурятском государственном университете по адресу: 67 ,
  3. Проблемы образования XXI века как предмет междисциплинарных научных исследований (По материалам VII межвузовской студенческой олимпиады) номинация «социальная работа» Орел – 2010

    Документ
    Проблемы образования века как предмет междисциплинарных научных исследований: сб. социальных проектов VII Межвузовской олимпиады 8-9 апреля 2010 г. – Орел: Орловский государственный университет, 2010.
  4. Проблемы и перспективы развития исторической информатики

    Анализ
    Анализ историографии последних лет показывает повышение интереса к теоретическим проблемам исторической информатики: осмыслению закономерностей и этапов ее развития, взаимодействия с другими областями научного знания, перспектив на будущее.
  5. Тема История экономических учений как наука. 2

    Документ
    Предмет истории экономических учений – процесс возникновения, развития и смены теоретических идей и взглядов отдельных экономистов, школ и направлений экономической мысли в различные эпохи и в различных странах в тесной связи с историей

Другие похожие документы..