Электротехника

Электротехника

«Я всегда гордился тем, что родился русским»
(Попов А.С., русский физик и электротехник,
изобретатель радио)

 

Электротехника (от электро... и техника), — отрасль науки и техники, изучающая практическое применение электричества и магнитных явлений для преобразования энергии, получения и изменения химического состава веществ, производства и обработки материалов, передачи информации, охватывающая вопросы получения, преобразования и использования электрической энергии в практической деятельности человека.

Возникновению электротехники предшествовал длительный период накопления знаний об электричестве и магнетизме, в течение которого были сделаны лишь отдельные попытки применения электричества в медицине, а также для передачи сигналов. В XVII—XVIII вв. исследованию природы электрических явлений были посвящены труды М. В.Ломоносова, Т. В. Рихмана, Б. Франклина, Ш. О. Кулона и др.

Первым инженером-электротехником считается Уильям Гилберт, который изобрел версориум – прибор, фиксировавший наличие статического электричества на предметах. Кроме того, он был первым, кто смог провести четкую грань между магнетизмом и статическим электричеством и дать определение электричеству.

Для становления электротехники решающее значение имело появление первого источника непрерывного тока — вольтова столба (А. Вольта, 1800), а затем более совершенных гальванических элементов, что позволило в первой трети XIX в. провести многочисленные исследования химических, тепловых, световых и магнитных явлений, вызываемых электрическим током. Георг Ом в 1827 году рассчитал зависимость между электрическим током и напряжением в проводнике (закон Ома). В 1831 году М. Фарадей, открыл явление электромагнитной индукции, а Д. Максвелл в «Трактате об электричестве и магнетизме» (1873 г.) изложил свою электромагнитную теорию света. В этот период были заложены основы электродинамики.

 

Рис.1. Вольтов столб

Рис. 2. Гальванический элемент

Среди попыток практического использования результатов этих достижений наиболее значительными были работы в телеграфии (электромагнитный телеграф П. Л. Шиллинга, 1832), в военном деле (гальваноударные морские мины Б. С. Якоби, 1840-е гг. Открытие электромагнитной индукции (1831—32) предопределило появление электрических машин — двигателей и генераторов. Поскольку все первые потребители электроэнергии использовали постоянный ток (как наиболее изученный), первые электрические машины были постоянного тока.

Наряду с электромашинными генераторами продолжали совершенствоваться химические источники тока. Значительным шагом в этом направлении было изобретение свинцового аккумулятора (французский физик Г. Планте, 1859). Усовершенствованная конструкция этого аккумулятора к 80-м гг. уже имела все основные элементы современных аккумуляторов.

Создание надёжных источников тока сделало возможным удовлетворение возросших потребностей в электрической энергии для практических целей. Дальнейшее развитие электротехники связано с возникновением электротехнической промышленности и массовым распространением электрического освещения, которое в 50—70-х гг. XIX в. заменило газовое. Идея применения электрической энергии для освещения была высказана Петровым в 1802 после открытия дуги электрической. Первыми электрическими источниками света были разнообразные дуговые угольные лампы, среди которых наиболее дешёвой и простой была "свеча Яблочкова" (П. Н. Яблочков, 1876). В 1870—75 А. Н. Лодыгин разработал несколько типов ламп накаливания, усовершенствованных позднее Т. А. Эдисоном и получивших преимущественное распространение к 90 м гг. 19 в. Достижения в создании и применении электрических источников света оказали существенное влияние на становление и развитие светотехники. С распространением электрического освещения связано создание электроэнергетических систем. Уже в первых осветительных устройствах Яблочкова имелись все основные элементы энергосистем: первичный двигатель, генератор, линия электропередачи, трансформатор, приёмник энергии.

 

Рис. 3. Устройство свечи Яблочкова

 

Начало применению электроэнергии для технологических целей положили ещё работы Якоби (1838), предложившего использовать электрический ток для получения металлических копий и для нанесения металлических покрытий (гальванотехника).

В это время исследованиями в области электротехники занимались многие ученые. В 1882 году Томас Эдисон запустил в эксплуатацию первую в мире крупномасштабную электросеть, которая снабжала электричеством (а именно постоянным током с напряжением 110 В) 59 клиентов в Нижнем Манхэттене, одном из районов Нью-Йорка.

В 1887 году Никола Тесла оформил ряд патентов, имевших отношение к новому виду распределения электроэнергии, известному как переменный ток. После этого между Теслой и Эдисоном начался период ожесточенной конкурентной борьбы, известной в Америке под названием «Война токов». Тесла победил. Переменный ток постепенно вытеснил постоянный ток из сферы производства и распределения электроэнергии, значительно повысив безопасность и эффективность распределения электроэнергии и расширив область ее применения. Тесла также сделал возможной передачу электрического тока на дальние расстояния.

В конце XIX в. промышленное использование электроэнергии превратилось в важнейшую комплексную технико-экономическую проблему — наряду с экономичной электропередачей необходимо было иметь электродвигатель, удовлетворяющий требованиям электропривода. Решение этой проблемы стало возможным после создания многофазных, в частности трёхфазных, систем переменного тока. Над этой проблемой работали многие инженеры и учёные (Н. Тесла, американский учёный Ч. Брэдли, немецкий инженер Ф. Хазельвандер и др.), но комплексное решение предложил в конце 80-х гг. М. О. Доливо-Добровольский, который разработал ряд промышленных конструкций трёхфазных асинхронных двигателей, трёхфазных трансформаторов, и в 1891 построил трёхфазную линию электропередачи Лауфен — Франкфурт (длина линии 170 км).

 

Рис. 4. Предвидения Николы Теслы

 

В 70—80-е гг. 19 в. электроэнергию начали использовать в технологических процессах: при получении алюминия, меди, цинка, высококачественных сталей: для резки и сварки металлов; упрочнения деталей при термической обработке и т. д. В 1878 Сименс создал промышленную конструкцию электроплавильной печи. Методы дуговой электросварки были предложены Н. Н. Бенардосом (1885) и Н. Г. Славяновым (1891).

Электротехника выделилась в самостоятельную науку из физики в конце XIX века, после коммерциализации телеграфа и средств передачи электрической энергии. В настоящее время электротехника включает в себя несколько наук: электроэнергетику, электронику, системы управления, обработку сигналов и телекоммуникации. Основное отличие от электроники заключается в том, что электротехника изучает проблемы, связанные с силовыми крупногабаритными электронными компонентами: линии электропередачи, электрические приводы, в то время как в электронике основными компонентами являются компьютеры и интегральные схемы. В другом смысле, в электротехнике основной задачей является передача электрической энергии, а в электронике — информации.

Появлению радио и электроники способствовали многие выдающиеся ученые и изобретатели. Занимаясь углубленным изучением сверхвысоких частот, Генрих Герц в 1888 году экспериментально открыл с помощью электрооборудования существование электромагнитных радиоволн. В 1895 году Никола Тесла смог зафиксировать радиосигнал, переданный из его нью-йоркской лаборатории в военном училище Уэст-Пойнт (расстояние примерно 80,5 км). 12 (24) мaртa 1896 нa зaсeдaнии физичeскoгo oтдeлeния Рoссийскoгo физикo-xимичeскoгo oбщeствa А.С.Попов при пoмoщи свoиx прибoрoв нaгляднo прoдeмoнстрирoвaл пeрeдaчу сигнaлoв нa рaсстoяниe 250 м, пeрeдaв пeрвую в мирe рaдиoгрaмму из двуx слoв «Гeнриx Гeрц». Нeскoлькo пoзднee сoздaл пoдoбныe жe прибoры и прoвeл с ними экспeримeнты итaльянский физик и инжeнeр Г. Мaркoни. В 1897 oн пoлучил пaтeнт нa примeнeниe элeктрoмaгнитныx вoлн для бeспрoвoлoчнoй связи.

 

Рис. 5. Радио Попова

 

К. Браун в 1897 году предложил использовать электронно-лучевую трубку в осциллоскопах, что положило начало развитию телевизионных технологий. В 1904 году. Джон Флеминг изобрел первую радиолампу, или вакуумный диод, Два года спустя Роберт фон Либен (Германия) и Ли де Форест (США) независимо друг от друга изобрели усилительную лампу, или электровакуумный триод. В 1920 году Альберт Хулл открыл магнетрон, что в свою очередь повлекло изобретение Перси Спенсером в 1946 году микроволновой печи.

В 1934 году британские военные ученые под руководством д-ра Уимпериса начали успешную разработку первого радара (который тоже задействует магнетроны). Работа была завершена в августе 1936 года строительством в Боудси первой радиолокационной станции.

Практическое применение трёхфазных систем положило начало современному этапу развития электротехники, который характеризуется растущей электрификацией промышленности, сельского хозяйства, транспорта, сферы быта и др. Увеличение потребления электроэнергии обусловило строительство мощных электростанций, электрических сетей, создание новых и расширение действующих электроэнергетических систем. Строительство мощных ЛЭП высокого напряжения привело к разработке разнообразного высоковольтного оборудования, электроизоляционных материалов, средств электроизмерительной и преобразовательной техники и т. д., а также стимулировало улучшение конструкций электрических машин и аппаратов, разработку методов анализа процессов в цепях переменного тока. Совершенствование электротехнических устройств способствовало формированию таких научных дисциплин, как техники высоких напряжений, теория электрических цепей, теория электрических машин, электропривод и др. Успехи электротехники оказали существенное влияние на развитие радиотехники и электроники, телемеханики и автоматики, а также вычислительной техники и кибернетики.

Один из важных разделов электротехники — электромеханика охватывает вопросы преобразования энергии, практическое решение которых на широкой научной основе потребовало разработки специальных методов, связанных с анализом и описанием процессов, протекающих именно в электротехнических устройствах. Математическое описание таких процессов основано на решении уравнений Максвелла. При этом их дополняют уравнениями, описывающими конкретный процесс, или используют вариационные принципы механики.

Формализованные методы используют при исследовании многих проблемных задач электротехники, например таких, как изучение нелинейных цепей (а также возникающих в них гармонических и субгармонических колебаний), проводимое на основе методов анализа и синтеза, разработанных ранее для линейных цепей и трудах А. М. Ляпунова, Н. М. Крылова, Н. Н. Боголюбова, Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси, А. А. Андронова и др. Важное направление современной электротехники — разработка теоретических и экспериментальных методов исследований, основывающихся на теории подобия, аналоговом и физическом моделировании, теории планирования эксперимента и позволяющих решать ряд принципиальных научно-технических проблем электротехники. К ним, в частности, относятся вопросы совершенствования существующих способов передачи электроэнергии и разработка новых. В круг этих вопросов входят: исследования процессов, протекающих в линиях электропередачи и преобразовательных устройствах; разработка и совершенствование управляемых элементов коммутационной аппаратуры; создание полупроводниковых преобразователей, способных эффективно работать в сочетании с электромеханическими устройствами, а также изучение возможности использования гиперпроводников и сверхпроводников в линиях электропередачи.

 

Рис. 6. Линия электропередач (ЛЭП)

 

Большое практическое значение имеет разработка способов оптимального управления сложными электроэнергетическими системами и повышения их надёжности. Решение этих задач основывается на использовании методов моделирования и вероятности теории. Необходимое условие для повышения устойчивости и надёжности работы электроэнергетических систем — создание мощных симметрирующих устройств, статических регуляторов и другой аппаратуры, обеспечивающей оптимальные режимы работы систем.

Важные направления электротехники — создание сложных электромагнитных полей с заданными свойствами, требующее разработки методов расчёта и моделирования электрических и магнитных полей в ферромагнитных, плазменных и других нелинейных и анизотропных средах, а также исследование и определение оптимальной конфигурации систем (в частности, сверхпроводящих), создающих сильные магнитные поля; разработка теории управления электромагнитными полями и методов синтеза систем, создающих эти поля.

Значительный интерес представляет изучение импульсных полей высокой интенсивности, в том числе разработка методов анализа взаимодействия таких полей с веществом, исследование тепловых и электродинамических процессов в электроэнергетических устройствах предельных параметров. Результаты этих работ находят применение при создании магнитопроводов для сверхмощных электрических трансформаторов и реакторов.

Теоретические и экспериментальные методы электротехники нашли своё развитие в ряде др. отраслей науки и техники, связанных, в частности, с исследованием свойств вещества (полупроводников, плазмы), с разработкой и созданием средств ядерной и лазерной техники, изучением явлений микромира и жизнедеятельности живых организмов, освоением космического пространства.

Достижения электротехники используются во всех сферах практической деятельности человека — в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, быту и т. д. Электротехническая промышленность выпускает машины и аппараты для производства, передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии; разнообразную электротехническую аппаратуру и технологическое оборудование; электроизмерительные приборы и средства электросвязи: регулирующую, контролирующую и управляющую аппаратуру для систем автоматического управления; электробытовые приборы и машины, медицинское и научное оборудование и др.