История методов развития науки электротехника

Введение

«Уютнейшая вещь керосиновая лампа, но я за электричество!»
М.А. Булгаков
Развивающаяся с каждым годом наука электротехника показывает плотную взаимосвязь проблем научно-технического характера с проблемами в социальной, экономической, экологической сферах общества. Данный факт свидетельствует о том, что развитие техники является движущей силой в сфере производства товаров и услуг, которые необходимы обществу.
Еще в древности люди при помощи самых простых видов орудий труда, которые со временем совершенствовались ими, добывали пищу, изготавливали одежду, строили жилье, иными словами удовлетворяли свои материальные потребности. Спустя несколько тысячелетий, люди получив новые знания и познав наипростейшие законы природы, стали создавать материальные блага, которые по сей день являются основополагающей силой способствующей общественному развитию. В процессе познания законов природы, люди создавали наиболее совершенные средства труда, адаптировали конструктивные нормы, а также расширяли технические возможности использования. По мере получения опыта в процессе труда производилась замена форм, состава, структуры материала предметов труда. Но стоит отметить, что изменения подобного рода, находились в тесной взаимосвязи с энергозатратами как в пределах одного вида энергии, так и в ее переходах из одной формы в другую.
Из чего следует, что все процессы производства являются энергетическими и люди в процессах своего труда использует вещество – энергию природы.
Исходя из вышеизложенного можно сказать, что данная тема актуальна тем, что сегодня жизнь современного человека невозможно представить без устройств, которые работают на электроэнергии, так как они позволяют экономить, беречь экологию, а также обеспечивают удобство в процессе их использования, чем объясняется рост востребованности таких устройств. Например, почти каждый из нас уже не сможет существовать без компьютеров, телефонов, междугороднего электротранспорта и т.д. А без появления науки электротехники данные устройства не имели бы права на свое существование.
Степень разработанности проблемы. В отечественной литературе истории развития методов науки электротехники посвящено множество работ. К таковым относятся работы Веселовского О.Н., Шнейберга Я.А., Валивач П.Е., Баранова М.И., Архангельского Ю. С., Гришиной Е. М., Колесниковой Е. В., Белова Г.А. и других.
Работами, которые послужили фундаментом для развития электротехники занимались такие специалисты, как Ампер А., Ленц Э. X., Ломоносов М. В., Максвелл Д. К., Петров В. В., Фарадей М., и др.
Цель работы - изучить историю методов развития науки электротехники.
Для достижения поставленной цели необходимо решить такие задачи как:
рассмотреть понятие электротехники;
изучить историю развития электротехники.
При написании данной работы автор использовал такие научные методы как: анализ литературы на тему развитие науки электротехники, исторический метод, изучения и обобщения сведений.
Методологической основой послужили научные работы и периодические издания.


1. Понятие электротехника

Важно отметить, что развитие такой науки как электротехника говорит о тесной взаимосвязи научных и технических проблем с экономическими, социальными, экологическими и иными задачами общества на современном этапе. В тоже время произошло расширение сферы использования электроэнергии в разных областях технологии и производства, экологии и информатизации, социальной и бытовой сфере.
Электротехника – это в первую очередь область науки и техники, применяющая магнитные и электрические явления для практического использования. Указанное выше или подобное определение отражено в большинстве учебных пособий, а также в справочных изданиях. Однако данное определение имеет весьма общий характер, так как в условиях современного состояния электротехники, нужны более конкретные высказывания. С данной целью можно произвести объединение всех электротехнических устройств, благодаря которым магнитные и электрические явления применяются в трех главных направлениях: превращение вещества природы, получение и передача информации, преобразование энергии природы. Исходя из этого эти данные три отрасли электротехники можно назвать: информационная, энергетическая и технологическая.
Энергетическое направление имеет связь с получением, распределением и преобразованием энергии, поэтому в электротехнике происходит изучение источников электроэнергии, которая получается из химической, механической, световой, тепловой и иных видов энергии; к примеру, приемники электроэнергии осуществляют образование электроэнергии в выше указанные виды энергии, а также преобразовывают из одного вида энергии в другую.
Отметим, что электроэнергетика – это одна из основ совершенствования современного общества. Уровень производства и потребления энергии, в данном случае и электроэнергии в значительной мере позволяет характеризовать уровень общественного развития, и определяет темы научного, технического и экономического роста.
Непосредственно с совершенствованием электрификации связаны основные социальные и экономические изменения в обществе. Интенсивное применение электроэнергии связано с ее существенными преимуществами перед иными видами энергии, а именно: возможностью в достаточной степени легко преобразовываться в иные виды энергии; возможностью экономического и централизованного получения на различных электростанциях; простотой и экономичностью передачи непосредственным потребителям на значительные расстояния.
Стоит отметить, что проблемы связанные с запасами энергетических ресурсов, а также и вопросы экологии производства электроэнергии существующими традиционными методами требуют создания принципиально современных источников электрической энергии. Скорее всего, в ближайшем будущем тепловые электростанции займут место основных, именно поэтому работа связанная с совершенствованием их конструкционных особенностей, повышением экономичности работы, улучшением термодинамических характеристик в данное время является весьма важной и актуальной задачей.
Совершенно новые перспективы в развитии электротехнических устройств, намечаются при применении явления сверхпроводимости в криогенном оборудовании. Одним из важных направлений повышения эффективности электрификации процессов производства считается применение оборудования и приборов с использованием компьютерной техники.
Несомненно, существенное значение в жизни современного общества заняли электротехнические установки, в которых магнитные и электрические явления применяются для исполнения различных технологических процессов – изменение состава, формы и превращений природного вещества.
Технологические процессы, осуществление которых происходит электрическими методами включатся в понятие «электротехнология» и к ним относятся: электрохимические методы получения и обработки материалов, к примеру электролиз и гальванопластика; электротермические процессы, в которых применяются тепловое воздействие тока для плавления, изменения свойств материала, испарения и т.д.; электрофизические методы обработки, где применяются механическое и тепловое воздействие на материал; электроаэрозольная технология, где применяются для обработки материала заряженные частицы, образование и направление которых производится под непосредственным воздействием сильных электрических полей. В тоже время переход на электротехнологические процессы повышает качество продукции, дает возможность в большинстве случаев производит такие операции, а также получать такие материалы, которые другим путем невозможно произвести, при этом снизить вреднее воздействие на окружающую среду. Важно, что традиционные методы электротехнологии, которые основаны на химическом и тепловом действиях тока, широко использовавшиеся ранее, оказались на данный момент недостаточными для обеспечения требований современной практики. Только лишь на основе последних достижений электротехники, электрофизики и электроники стало возможным создать новые электротехнологические методы с применением сильных электрических полей и соответственно высоких электрических напряжений. В наше время технологические и энергетические процессы протекают при давлениях, скоростях, температурах и механических напряжениях, что управление и контроль над данными процессами может быть осуществлен только с использованием автоматических устройств и приборов, среди которых основную роль играют электрические и электронные приборы
Соответственно важным моментом становится освоение и применение электронных и электрических измерительных приборов, усилителей, импульсных и цифровых электронных устройств и микропроцессоров.
Значительные достижения в области электроизмерительной техники дали возможность внедрить эффективные методы преобразования неэлектрических величин, а также создать электроприборы для контроля, регулирования и управления тепловых процессов и физических величин. В процессе получения и использования электроэнергии широко применяются тепловые, электромеханические, электрохимические, тепловые, электронные и ионизационные преобразователи с помощью которых производится измерение температуры, скорости, концентрации и плотности жидких и газовых средств, производится дистанционное измерение и запись механических напряжений в деталях конструкции, вибраций и т.п

. Автоматическое управление, а также контроль различными процессами предусматривает получение и передачу специальных сигналов и информации и их соответствующую обработку. На основании этого, важно сказать что освоение и применение электронных и электрических измерительных устройств, усилителей, импульсных и цифровых электронных устройств и микропроцессоров. Стоит отметить, что существенные достижения в области
электроизмерительной техники дали возможность создать эффективные методы преобразования неэлектрических величин и создать электроприборы для контроля, регулирования тепловых процессов и физических величин. В процессе получения и использования электроэнергии широко применяются тепловые, электромеханические, электрохимические, электронные и ионизационные преобразователи, благодаря которым производится измерение различных величин.
Учитывая дальнейшее развитие электроники, а также теории информации и управляющих машин, все шире происходит внедрение автоматических вычислительных машин, с целью решения сложных математических задач и автоматизации управления технологическими процессами, разрабатываются новейшие электронные устройства, микропроцессоры и микро-ЭВМ.
Отметим, что информационное направление электротехники играет важную роль при получении и передаче электрической энергии. Так для примера, с целью обеспечения функционирования энергоблока нужно проводить одновременный контроль до 1000 переменных величин, из них около 100 должны обладать высоконадежной автоматической стабилизацией.
Во всех выше перечисленных устройствах и процессах широко применяются электрические и магнитные явления, на рисунке, дается содержание понятия «электротехника» (рис. 1.).

Рисунок 1. К определению понятия «электротехника»
Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что электротехника – это область науки и техники, использующая магнитные и электрические явления для осуществления преобразовательных процессов энергии природы и превращений вещества, а также для получения и передачи информации.

2. История развития электротехники

Наука электротехника зародилась в начале XIX века, когда был создан постоянный ток, а также произведены открытия в областях электричества и магнетизма. На начальном этапе развития электротехники была создана электрическая машина, которая оказала значительное влияние на процесс становления и развития производства в промышленности, а также сельское хозяйство и транспорт, после чего стала фундаментом при создании множества отраслей промышленности, а также направлений в научно-техническом прогрессе. Также были изучены химические свойства электрического тока, что поспособствовало появлению гальванотехники, а результаты, полученные при изучении преобразований электроэнергии в световую энергию, послужило появлению светотехники.
Фундаментом для развития электроники послужили открытия в таких областях как термоэлектронная эмиссия и электрические полупроводники, а изобретение радио составило основу науки радиотехники.
В тоже время передача электрических сигналов по проводным линиям – основа телеграфной и телефонной связи. Внедрение систем передачи электроэнергии на расстоянии и распределение ее между конечными потребителями положило начало развитию электроэнергетики, а изобретенный асинхронный двигатель – электрического привода.
Сегодня на базе широкого применения электроэнергии происходит развитие наиболее энергоёмких производств, а именно получение магния, алюминия, натрия и иных. Важно, что процесс развития энергетики, электрификации, телемеханики, связи, вычислительной техники и автоматизации производства, технологических процессов большинства производств базируется на сложнейших системах с комплексным применением переменного и постоянного тока.
Отметим, что электротехника по большей мере основа многих промышленных отраслей, таких как электротехническая, радиотехническая, электронная и средств связи.
Еще в 19 веке, электротехника отделилась от физики и стала самостоятельной наукой.
Над этим процессом трудились несколько известных всему миру ученых и изобретателей. Датчанин Х. Эрстед, француз А. Ампер, немцы Г. Ом и Г. Герц, англичане М. Фарадей и Д. Максвел, американцы Д. Генри и Т. Эдисон — эти имена мы встречаем в учебниках физики (в честь некоторых из них названы единицы электрических величин).
В том же 19 веке, отмечалось появление изобретений и открытий в области средств технической коммуникации. В 1832 году член-корреспондентом Петербургской Академии наук Павлом Львовичем Шиллингом в присутствии императора было продемонстрировано его изобретение – электромагнитный телеграф, который положил начало проводной связи (Рисунок 2.). Уже в 1876 году Александром Беллом был изобретен телефон. В 1859 году братьями Луи и Огюстом Люмьер был проведен первый киносеанс в Париже, а Александром Степановичем Поповом в Петербурге было продемонстрировано принятие электрических сигналов по радио.

Рисунок 2. Электромагнитный телеграф П.Л. Шиллинга
Отметим, что 19 век был назван веком электричества. В 1867 году Зенобом Граммом был построен удобный и надежный в плане эксплуатации генератор, которые дает возможность получать дешевую электроэнергию, и химические источники в данном случае перешли на задний план. В 1878 году, улицы Парижа зажглись «русским светом» - дуговые лампы П.Н. Яблочкова. На тот момент открывшиеся возможности электричества поражали: превращение электрической энергии в механическую, световую, тепловую, а также передача энергии и различных электрических сигналов на значительные расстояния.
Рождение электротехники, начинается с создания первых гальванических элементов – химических источников электрического тока. Связывают обычно его с именем Александр Вольт. Однако судя по рассказам с раскопок египетских древностей, археологи обратили внимание на весьма странные сосуды из обожженной глины с металлическими проставками в них. Большая часть, того что найдено в окаменевших остатках древних цивилизаций, до сих пор не понятно современным людям. Крайне проблематично восстановить образ минувших столетий, тем более чаще всего он не такой примитивный, как мы думаем. Та как процесс получения электрического тока путем химического воздействия очень прост. На нашей планете солёной воды существенное количество, как и нужных металлов – меди и цинка. Однако вместо меди, лучше применять золото и серебро. Первые перечисленные инструменты обладали одним существенным недостатком. Почему происходило это, никто не мог понять. Но с подобными быстро утомляющимися металлами ничего не было, и затевать какую-нибудь новую промышленность не представлялось возможным. И поэтому все проводимые исследования были направлены на подобные из цели.
Стало известно, что цинк, при соединении с кислотой, вытесняет из нее водород. При этом пузырьки газа оседают на металлических пластинках и затрудняю прохождение тока. Специалисты в области физики дали название данному явлению – поляризация и объявили ему войну.
Примерно в начале 30-х годов 20 века, английские изобретатели Кепм и Стеджен, определили что цинковая пластина, покрытая амальгамой – оказывает действие слабее чем пластина из чистого цинка, но при это не подвержена растворению в кислоте, когда элемент не задействован в работе, то есть когда через него не проходят токи.
Следом за ним ученый из Франции Беккерель, высказал свое мнение, что хорошо бы пробовать отпускать пластины в различные сосуды, для того чтобы выделяющийся водород тут же в форме химической реакции соединялся кислородом и в данном случае, образуя воду. Идея была принята всеми учеными из различных учебных заведений.
На данном этапе максимальный успех достался профессору химии Лондонского королевского колледжа. В банку из стекла с содержанием медного купороса он поместил согнутый в цилиндр лист металла. Внутрь вставил сосуд из глины с пористыми стенками, в котором находилась разбавленная серная кислота. В кислоту был размещен цинк. В результате чего водород проходил через поры данного глиняного сосуда и при этом вытеснял медь из купороса. Незначительное количество кристаллов, которые были брошены на дно банки, компенсировали убывающую медь…Поляризация была побеждена. Тем не менее у элемента Даниеля были отмечены и иные недостатки. Так он обладал электродвижущей силой, часть электроэнергии была потрачена внутри самого элемента с целью разложения медного купороса.
Не менее известный ученый В. Грове решил заменить медный купорос на азотную кислоту. Для того чтобы она не смогла разъесть электрод из меди, медь была заменена на платину. Важно, что все придуманное им получилось так, как он сам и ожидал: электродвижущая сила увеличилась. Но к сожалению, так как медь была замена на более дорогой металл платину, стоимость изобретения возросла. Однако, Грове и другие ученые работающие с его изобретением изготавливали электроды из тонких листков платины, которые были согнуты для прочности буквой S