История электротехники

С этого времени начинается бурное развитие электрификации: строятся мощные электростанции, возрастает напряжение электропередач, разрабатываются новые конструкции электрических машин, аппаратов и приборов. Электрический двигатель занимает господствующее положение в системе промышленного привода.

Процесс электрификации постепенно охватывает все новые области народного хозяйства: развиваются электротехнология, электрохимия, электротранспорт и др.

Электрическая энергия широко используется в самых разнообразных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту.

Широкое применение переменного тока потребовало теоретического осмысливания и математического описания физических процессов, происходящих в электрических машинах, линиях электропередачи, трансформаторах и других электротехнических устройствах.

Рост потребности в постоянном токе (электрохимия, электротранспорт и др.) вызывает необходимость в развитии преобразовательной техники, что привело к зарождению, а затем бурному развитию промышленной электроники.

Электротехника становится базой для разработки автоматизированных систем управления энергетическими и производственными процессами.

Глава 1.

ПРЕДЫСТОРИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ (ДО 1800 г.)

1.1. ПЕРВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Первые наблюдения магнитных и электрических явлений относятся к глубокой древности [1.1–1.7]. О таинственных способностях магнита притягивать железные предметы упоминается в старинных летописях и легендах, дошедших до нас из Азии (Индии и Китая), Древней Греции и Рима.

Очень образное объяснение свойств магнита дано в знаменитой поэме «О природе вещей» римского поэта Лукреция (99–55 гг. до н.э.), написанной более 2 тыс. лет назад.

Из древних сказаний и летописей, относящихся ко второму тысячелетию до н.э., мы узнаем о многих интересных фактах практического использования магнита. Древние индийцы использовали магнит для извлечения железных наконечников стрел из тел раненых воинов. В китайских летописях рассказывается о волшебных магнитных воротах, сквозь которые не мог пройти человек, спрятавший металлическое оружие. При раскопках городища ольмеков (Центральная Америка) найдены скульптуры трехтысячелетней давности, высеченные из магнитных глыб.

Происхождение слова «магнит» древние ученые объясняют по-разному. По утверждению древнегреческого философа Платона (427–347 гг. до н.э.) слово «магнит» происходит от названия древнегреческой провинции Магнезии, жителей которой называли «магнетами», а камни из Магнезии — магнитами. А известный римский писатель и ученый Плиний (29–73 гг. до н.э.) в своей 37-томной «Естественной истории» ссылается на легенду о пастухе Магнесе, пасшем стада у подножия горы на о. Крите, близ которой были разбросаны загадочные черные камни, притягивавшие железные гвозди его сандалий и железный наконечник посоха. В честь Магнеса эти камни будто бы назвали магнитами, а само явление притяжения — магнетизмом.

В Китае во втором тысячелетии до н.э. уже применялись первые компасы разных конструкций. В одном из музеев хранится китайский компас тысячелетней давности, напоминающий ложку (рис. 1.1).

Небезынтересно заметить, что в XIII–XIV вв. капитаны-католики пользовались компасом тайно, опасаясь попасть на костер инквизиции, которая видела в компасе дьявольский инструмент, созданный колдунами.

Довольно широкое распространение получили легенды о мистических способностях магнитной стрелки передавать сообщения на расстоянии. Об этом выразительно рассказывает Галилео Галилей (1564–1643 гг.). Один «изобретатель» предложил ему продать «симпатическую» магнитную стрелку, посредством которой можно поддерживать связь с человеком, находящимся за 2–3 тыс. миль. «Когда я сказал, — писал Г. Галилей, — что согласен приобрести секрет, но хочу сначала испытать его на деле; причем для меня совершенно достаточно, если испытание будет произведено так, что я буду находиться в одной из комнат моего дома, а он в другой, изобретатель сказал, что на таком малом расстоянии я не смогу видеть действие его изобретения. На этом я с ним и расстался, заявив, что не чувствую никакого желания ехать в Каир или Московию для того, чтобы производить опыт, но, что если он сам пожелает туда отправиться, я согласен быть другой стороной, оставшись в Венеции».

Естественно, что древние ученые и естествоиспытатели задумывались над причиной загадочных свойств магнита. Платон, например, объяснял их божественным происхождением.

С именем одного из древних мудрецов — Фалеса (640–550 гг. до н.э.) связаны дошедшие до нас предания о свойстве натертого янтаря притягивать легкие тела. По его мнению, в янтаре, как и в магните, имеется душа, являющаяся первопричиной притяжения.

Изделия из янтаря, блестящие и красивые, широко использовались древними людьми для украшения, поэтому вполне вероятно, что многие могли заметить, что натертый янтарь притягивает легкие соломинки, кусочки тканей и пр.

Греки называли янтарь «электрон». От этого спустя много веков и произошло слово «электричество». Известно, что в одном из древнегреческих сочинений описывался камень (по-видимому, драгоценный), который, подобно янтарю, электризовался при трении. Но об электризации других тел древние греки, вероятно, не знали.

И еще одно любопытное явление не осталось незамеченным древними народами, жившими на побережье Средиземного моря и в бассейне р. Нила. Речь идет об «электрических» рыбах — скате и соме. Греки их называли «наркэ», что означает «парализующий». При соприкосновении с этими рыбами, имеющими электрические органы, человек испытывал сильные удары. Известно, что в I веке н.э. римские врачи использовали электрический скат для лечения подагры, головной боли и других болезней.

И, конечно, древние народы наблюдали грозные раскаты грома и яркие вспышки молний, внушавшие им естественный страх, но ни одному из мудрецов тех времен не могла прийти в голову мысль о том, что и притяжения натертого янтаря, и удары электрических рыб, и явления грозы в атмосфере имеют одну и ту же природу.

Упадок античной культуры заметно отразился и на изучении электрических и магнитных явлений. Из многочисленных источников следует, что практически до 1600 г. не было сделано не одного открытия в области электрических явлений, а в области магнетизма лишь описаны способы использования мореплавателями компаса (арабами в IX, а европейцами в XI в.).

В XIII в. ученым удалось установить ряд свойств магнита: существование разноименных полюсов и их взаимодействие; распространение магнитного действия через различные тела (бумагу, дерево и др.); были описаны способы изготовления магнитных стрелок, а французский ученый Пьер Перегрин (1541–1616 гг.) впервые снабдил компас градуированной шкалой.

В течение многих веков магнитные явления объясняли действием особой магнитной жидкости, и как это будет показано далее, лишь выдающийся французский физик A.M. Ампер в 20-х годах XIX в. впервые объяснил электрическую природу магнетизма.

1.2. НАЧАЛО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНЕТИЗМА

В XVI–XVII вв. в Европе все большее распространение получает экспериментальный метод научных исследований, одним из основоположников которого по праву называют Леонардо да Винчи (1452–1519 гг.). Изобретения и открытия этого «титана эпохи Возрождения» поражают своей глубиной и разносторонностью. Он был не только искуснейшим всадником, фехтовальщиком, поэтом, музыкантом, но и конструктором разнообразных машин и приборов, гениальным художником, математиком, астрономом, геологом, ботаником, анатомом, военным инженером, мыслителем-материалистом.