Текст книги "История электротехники"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 78 страниц) [доступный отрывок для чтения: 28 страниц]

ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Под ред. И.А. Глебова

ПРЕДИСЛОВИЕ

Электротехника является важнейшей отраслью науки и техники. Электротехническая продукция широко используется в промышленности и сельском хозяйстве, на транспорте, в медицине и бытовой технике. Изучение и использование электрических и магнитных явлений, передач электроэнергии, электрических машин, аппаратов и устройств, электрического освещения, силовой электроники, электротермии, электрохимии происходило на протяжении более двух столетий и связано с деятельностью многих поколений выдающихся ученых, которая сопровождалась развитием теории, многочисленными открытиями, изобретениями и созданием все более совершенных электротехнологий.

Пионером идеи о связи электрических и магнитных явлений был русский ученый Ф.У. Эпинус (1758 г.). К первым работам в области электрического разряда относятся исследования М.В. Ломоносова и Г.В. Рихмана. Они были развиты В.В. Петровым, которому принадлежит открытие электрической дуги (1802 г.), практическая реализация которой была осуществлена П.Н. Яблочковым в изобретенной им электрической свече (1878 г.). Им же был изобретен трансформатор (1877 г.). В дальнейшем электрическую дугу для электросварки применил Н.Н. Бернадос (1882 г.) и Н.Г. Славянов (1891 г.). Почти сразу же после открытия М. Фарадеем явления электромагнитной индукции (1831 г.) академик Б.С. Якоби разработал и создал электродвигатель постоянного тока (1834 г.). В последующие десятилетия изобретения и разработки ученых Западной Европы в области машин постоянного тока приблизили их конструкцию к современной. Э.Х. Ленц (Россия) и независимо от него Д.П. Джоуль (Англия) установили закон теплового действия электрического тока (1833 и 1835 гг.). Он был использован в лампах накаливания А.Н. Лодыгиным (1873 г.). Особенно важно отметить исключительное значение работ М.О. Доливо-Добровольского – создателя систем трехфазного тока, трехфазных двигателей и трансформаторов. Ему же принадлежит идея создания трехфазной линии электропередачи протяженностью 175 км (1891 г.). Важное значение для развития электротехники в России имела организация в 1880 г. по инициативе известного русского электротехника В.Н. Чиколева журнала «Электричество». Большое значение для развития электротехники в России имела также организация в 1879 г. электротехнического отдела Русского технического общества.

Таким образом русским ученым удалось внести большой творческий вклад уже в начальную стадию развития электротехники. Работы этого времени в нашей стране и за рубежом получили достаточно полное освещение в настоящей книге.

По мере накопления и углубления знаний в области электротехники появилась необходимость их практической реализации. Создание и развитие электротехнических производств требовало со своей стороны новых идей, конструкций и производственных процессов. Все это привело к увеличению количества электротехнических заводов, особенно в конце предыдущего и начале текущего столетия. Это прежде всего относится к Западной Европе и США. В России, как слаборазвитой в промышленном отношении стране, создавались главным образом филиалы западно-европейских фирм. Положение коренным образом изменилось, когда в 1921 г. был принят план Государственной электрификации России (ГОЭЛРО). В его составлении участвовали видные электротехники страны: К.А. Круг, М.А. Шателен, А.А. Горев, B.C. Кулебакин, А.Н. Ларионов, А.А. Глазунов и др. Все работы велись под руководством Г.М. Кржижановского.

Основная идея плана состояла в индустриализации страны на базе электрификации. Предусматривалось строительство 30 электростанций. Особое внимание уделялось повышению производительности труда на базе новой техники. План был рассчитан на 10–15 лет. Для исключения зависимости нашей страны от иностранных государств была взята ориентация на развитие собственной электротехнической промышленности, как важнейшей технической базы электрификации. Опорными предприятиями стали заводы «Электросила», Московский электрозавод «Динамо» и др. В 1921 г. был образован научный и экспериментальный центр отечественной электротехники – Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ). Институт положил начало широкому развитию фундаментальных и прикладных исследований в области высоковольтной техники, электрической изоляции, светотехники, электромеханики. Таким образом наряду с научной работой в высших учебных заведениях получила развитие отраслевая научная деятельность. Были также созданы научно-исследовательские институты по классам электротехнических изделий и оборудования.

Дальнейшее развитие электротехники в предвоенные и послевоенные годы привело к образованию крупной экономической структуры – Министерства электротехнической промышленности.

Аналогичное укрупнение экономических структур произошло в странах Западной Европы, США, Японии и др. В качестве примера можно привести американскую фирму «Дженерал Электрик», с которой у нас было тесное научно-техническое и производственное сотрудничество, начиная со времени строительства Днепрогэса. Небольшое предприятие, организованное Т.А. Эдисоном, превратилось в крупнейшую фирму мира со своей сетью заводов, исследовательских институтов и лабораторий.

В трудных экономических условиях, переживаемых Россией в настоящее время, для подъема промышленного производства и выпуска конкурентоспособной продукции на внутреннем и внешнем рынках необходимо развитие существующих и создание новых крупных экономических структур с научно-исследовательскими институтами и проектно-конструкторскими организациями, а также коренное улучшение научной деятельности в институтах Российской академии наук и крупнейших высших учебных заведениях России. Особое значение приобретает проблема подготовки инженерных и научных кадров.

Бурное развитие электротехники в XX в. обусловлено творческой деятельностью очень большого числа специалистов. Тем не менее следует выделить среди них тех, кто внес решающий вклад в создание и развитие теории, разработку методов расчета и проектирования, новые виды производственных процессов и инженерную деятельность непосредственно на производстве.

Авторами данной книги дано последовательное изложение истории создания новых видов электротехнических изделий в мире на протяжении почти двух столетий и особенно в последнюю половину текущего столетия в связи с быстрым развитием электротехники в это время. Наряду с этим показаны конкретные творческие достижения выдающихся ученых, инженеров и специалистов производства во всем мире и особенно в России.

Краткие сведения о наиболее крупных отечественных и зарубежных ученых и специалистах в области электротехники,из числа упомянутых в книге, приведены в главе 13 «Персоналии».

Основные идеи и положения книги были предложены президиумом Академии электротехнических наук Российской Федерации (АЭН РФ) и одобрены редакционной коллегией, в которую входят выдающиеся ученые нашей страны, члены РАН и АЭН РФ, в том числе известный ученый-энергетик член-корреспондент РАН А.Ф. Дьяков. Без спонсорской поддержки РАО «ЕЭС России» издание настоящей книги было бы невозможно. В связи с этим авторы книги выражают глубокую признательность руководству РАО «ЕЭС России» за оказанную помощь.

Академия электротехнических наук планирует в дальнейшем издание электротехнической энциклопедии.

Академик РАН И.А. Глебов

Авторы глав:

Глава 1 – Я.А. Шнейберг

Глава 2 – О.Н. Веселовский, Я.А. Шнейберг

Глава 3 – О.Н. Веселовский, Я.А. Шнейберг

Глава 4 – К.С. Демирчян, В.Г. Миронов

Глава 5 – В.А. Баринов, И.М. Бортник, В.П. Васин, А.А. Глазунов, А.Ф. Дьяков, В.Д. Ковалев, В.В. Кривенков, И.П. Кужекин, В.П. Ларионов, А.К. Лоханин, РА. Лытаев, Б.К. Максимов, А.К. Михайлов, Н.И. Овчаренко, Ю.П. Рыжов, В.А. Семенов, В.А. Старшинов, Н.Н. Тиходеев, В.В. Худяков, В.В. Шматович

Глава 6 – Н.А. Акимова, В.Н. Антипов, В.Я Беспалов, Г.С. Васильев, И.А. Глебов, Н.Ф. Ильинский, И.П. Копылов, В.А. Прозоров, Ю.К. Розанов, В.В. Хрущев

Глава 7 – Н.В. Коровин, А.Б. Кувалдин, В.П. Рубцов

Глава 8 – С.В. Акимов, В.М. Амелин, Г.М. Грязное, В.Б. Елисеев, Ю.М. Иньков, В.П. Надоров, Б.И. Петленко, Ю.Ф. Подоплекин, А.В. Розанов, Ю.В. Трифонов, Ю.И. Фельдман, П.И. Щербинин

Глава 9 – А.Е. Атаев, С.М. Лебедкова

Глава 10 – И.Б. Пешков, В.А. Филиков, В.П. Чепарин

Глава 11 – С.Г. Обухов, В.И. Переводчиков, Э.Д. Шлифер

Глава 12 – В.Ю. Кончаловский, Ю.С Солодов

Глава 13 – П.А. Бутырин, В.Г Герасимов, Я.А. Шнейберг

ВВЕДЕНИЕ

Читатель, открывая эту книгу, надеется узнать что-то новое или уточнить то, что не сохранилось в памяти. Ему также полезно выяснить, когда и кем было открыто то или иное физическое явление или создано какое-то электротехническое устройство.

Данная книга посвящена истории развития и современному состоянию электротехники. Быть может, читатель, знающий современную электротехнику и электронику, подумает: а нужно ли ему знать историю электротехники? А нам хотелось бы задать ему встречный вопрос: можно ли представить хорошего музыканта, не знающего истории музыки, или художника, тоже, конечно, хорошего, не изучившего истории живописи? Наверное, читатель согласится с тем, что такого музыканта или художника представить трудно. А вот инженера, научного работника или преподавателя вуза, не знающих истории своей специальности, оказывается представить можно. Но сотни выдающихся изобретателей и ученых всем своим творчеством убедительно показали, что, зная прошлое, легче ориентироваться в настоящем и, главное, предвидеть будущее.

Знание истории развития естествознания, истории конкретной отрасли науки и техники, в частности электротехники и электроники, избавит современного специалиста от узкого технократического мышления, поможет ему повысить общую культуру и овладеть самыми современными способами производства электротехнических изделий, методами организации и управления производственными процессами. Ведь в современном взаимосвязанном, противоречивом и бурно развивающемся мире развитие науки и техники тесно связано с социальными, экономическими, историческими, экологическими процессами. И чтобы творчески решать актуальные научно-технические проблемы, специалист должен уметь глубоко осмысливать все эти сложные взаимосвязи научно-технического процесса.

Очень полезно также ознакомиться с творческим путем наиболее выдающихся деятелей науки и техники, раскрывающим логику инженерной мысли и оригинальной методологии, пути преодоления неизбежных в процессе творчества трудностей, нередко связанных не только с техническими, но и с социальными проблемами.

Только на конкретных примерах зарождения и совершенствования тех или иных электротехнических устройств можно глубже познать диалектику научно-технического процесса.

В последнее время резко возросла ответственность ученого и инженера за социальные последствия своей деятельности. Исключительное значение для современного специалиста приобретает умение изыскивать наиболее эффективные методы организации и управления производством, прогнозирования научно-технической деятельности. И в успешном решении этих проблем специалисту, несомненно, поможет хорошее знание истории развития и современного состояния электротехники и электроники.

Известно, что решающая роль в развитии современных отраслей промышленности, транспорта, сельского хозяйства и экономики страны в целом принадлежит электрификации. Под электрификацией понимается внедрение в народное хозяйство и быт электрической энергии. Сегодня нет такой области техники, где в том или ином виде не использовалась бы электрическая энергия. Под электротехникой в широком смысле слова подразумевается область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для практических целей.

Это общее определение электротехники можно раскрыть более подробно, выделив те основные направления, в которых используются электрические и магнитные явления: преобразование и использование энергии природы (энергетическое); преобразование веществ и материалов (технологическое); получение, передача и применение информации (информационное). Поэтому более полно понятие «электротехника» можно определить как область науки и техники, в которой используются электрические и магнитные явления для осуществления процессов преобразования энергии природы и превращения вещества, а также для передачи сигналов и информации.

В последнее столетие из электротехники выделилась промышленная электроника с тремя ее направлениями: энергетическим, технологическим и информационным, которые с каждым годом приобретают все большее значение.

В развитии электротехники условно можно выделить следующие этапы.

1. Предыстория электротехники (до 1800 г.). К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследования атмосферного электричества, разработка первых теорий электричества, установление закона Кулона, зарождение электромедицины.

2. Начальный этап развития электротехники (1800–1870 гг.). Начало этого периода ознаменовано созданием «вольтова столба» – первого электрохимического генератора, а вслед за ним «огромной наипаче батареи» В.В. Петрова, с помощью которой была получена электрическая дуга и сделано много новых открытий. Важнейшими достижениями этого периода являются открытие законов Ампера, Био и Савара, Ома, создание прообраза асинхронного двигателя, первого индикатора электрического тока (мультипликатора), установление связей между электрическими и магнитными явлениями. Одним из самых знаменательных событий этого периода явились открытие явления электромагнитной индукции и создание первого электромашинного генератора. Разрабатываются разнообразные конструкции электрических машин и приборов, открываются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники электрического освещения, первые электроавтоматические приборы, зарождается электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение электрической энергии было невозможно из-за отсутствия экономичного электрического генератора.

3. Становление электротехники как самостоятельной отрасли техники (1870–1891 гг.). Создание первого промышленного электромашинного генератора с самовозбуждением открывает новый этап в развитии электротехники, которая становится самостоятельной отраслью техники. В связи с развитием промышленности, ростом городов возникает острая потребность в электрическом освещении, начинается строительство «домовых» электрических станций, вырабатывавших постоянный ток. Электрическая энергия становится товаром. И все более остро ощущается необходимость централизованного производства и экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния.

4. Создание и развитие электроэнергетики, электрификации и электроники (с 1891 г.). Развивающееся производство требовало комплексного решения сложнейшей научно-технической проблемы: экономичной передачи энергии

на дальние расстояния и создания экономичного и надежного электрического двигателя, удовлетворяющего требованиям промышленного электропривода. Это решение было найдено на основе многофазных, в частности трехфазных, систем. Важнейшей предпосылкой разработки трехфазных систем явилось открытие (1888 г.) явления вращающегося магнитного поля.

В разработку трехфазных систем большой вклад сделали ученые и инженеры разных стран. Но как будет показано далее, наибольшая заслуга принадлежит М.О. Доливо-Добровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер, создавшему трехфазные синхронные генераторы и асинхронные двигатели, трансформаторы. Убедительной иллюстрацией преимуществ трехфазных цепей была знаменитая Лауфен-Франкфуртская электропередача (1891 г.), сооруженная при активном участии М.О. Доливо-Добровольского.

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

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

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

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

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

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

Глава 1.
ПРЕДЫСТОРИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ (ДО 1800 г.)

1.1. ПЕРВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

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

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.

^{Рис. 1.1. Китайский компас}

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.