Роль электрических машин и аппаратов в электрификации народного хозяйства

Значительный прогресс в электронике наметился после создания больших интегральных схем (БИС), быстродействие их измеряется миллиардными долями секунды, а минимальные размеры составляют 2 - 3 мкм.

Внедрение БИС привело к созданию микропроцессоров, осуществляющих цифровую обработку информации и микро-ЭВМ.

Быстрое развитие микроэлектроники обусловило возникновение и заметный прогресс новой области науки и техники - информатики.

Уже вначале 80-х гг. как в нашей стране, так и за рубежом стали изготовлять микропроцессоры и микро-ЭВМ в одном кристалле. Все это дает огромный эффект в повышении надежности, снижении габаритов и потребляемой энергии микроэлектронных устройств, используемых в различных производственных процессах, автоматизированных систем управления, на транспорте, в бытовых устройствах.

Первые генераторы электрического тока

Первый простейший источник электроэнергии был изобретен в 1663 г. немецким ученым Отто фон Герике. Он создал электростатический генератор, извлекавший из натираемого шара, отлитого из серы, который вращали вручную, значительные искры, уколы которых могли быть даже болезненными. В результате на шаре накапливался электрический заряд - «электрическая жидкость» как в то время называли это электрическое явление. Герике удалось заметить слабое свечение электризуемого шара в темноте и, что особенно важно, впервые обнаружить, что пушинки, притягиваемые шаром, через некоторое время отталкиваются от него – это явление ни Герике, ни многие его современники долго не могли объяснить. Мощность шара была менее 1 Вт. Казалось бы – пустяк, однако с его помощью были открыты многие важные явления и свойства электричества.

Ф. Хауксби в 1705 г. создал электрический генератор, используя вместо серного шара стеклянный. В 1744 г. в такую машину был введен скользящий контакт – кондуктор – металлическая трубка, подвешенная на шелковых нитях, а позднее устанавливаемая на изолирующих опорах. Этот контакт служил резервуаром для сбора электрических зарядов, и машина смогла при вращении непрерывно отдавать электрическую энергию.  После изобретения лейденской банки (см. ниже) данные устройства также устанавливались рядом с машиной.

В 1799 г. итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел более совершенный, чем Мушенбрук (см. ниже), а главное почти непрерывный (определяется влажностью прокладки) источник электрического тока - первый электрохимический генератор, т. н. «вольтов столб». Свой источник электричества он назвал в честь итальянского анатома Луиджи Гальвани гальваническим элементом. Это был источник электричества более мощный, чем генератор Герике.

Изучая опыты Гальвани, обнаружившего сокращение мышц препарированной лягушки при соприкосновении их с двумя разнородными металлами, Вольта не согласился с тем, что это явление вызвано особым, присущим живым организмам, "животным" электричеством. Он утверждал, что лягушка в опытах Гальвани "есть чувствительный электрометр", а источник электричества - контакт двух разнородных металлов.

Однако многочисленные эксперименты показали, что простого контакта металлов недостаточно для получения сколько - нибудь заметного тока. Непрерывный электрический ток может возникнуть лишь в замкнутой электрической цепи, составленной из различных проводников: металлов (которые он называл проводниками первого класса) и жидкостей (названных им проводниками второго класса).

 Между  небольшими дисками из меди  и цинка (электродами) Вольта помещал пористую прокладку, пропитанную кислотой или щелочью (электролитом).

В результате химической реакции, происходящей между электродами и электролитом, на цинковом электроде образуется избыток электронов, и он приобретает отрицательный электрический заряд, а на медном, наоборот,- недостаток электронов, и он приобретает положительный заряд. При этом между разноименными электрическими зарядами такого источника тока возникает электрическое поле, действует электродвижущая сила (сокращенно ЭДС) или напряжение. Как только проводник окажется подключенным к полюсам элемента или батареи, в нем возникнет электрическое поле, под действием которого электроны будут двигаться туда, где их недостаток, то есть от отрицательного полюса через проводник к положительному полюсу источника электрической энергии. Это и есть упорядоченное движение электронов в проводнике - электрический ток. Ток течет через проводник потому, что в получившейся цепи (положительный полюс элемента, проводники, отрицательный полюс элемента, электролит) действует электродвижущая сила.

Пока прокладка влажная, между дисками и раствором происходит химическая реакция, создающая в проводнике, соединяющем диски, слабый электрический ток. Соединяя пары дисков в батарею, можно было получать уже значительный электрический ток. Такие батареи называли вольтовыми столбами. Они-то и положили начало электротехнике.

Набирая последовательно большое количество таких элементов, Вольта получал электрохимический источник электричества напряжением до 2 кВ. Этого было уже достаточно для исследования электричества, получения электрической дуги, электродуговой свечи, сваривания металлов и т.п.

Батарейки, которыми мы сейчас пользуемся в часах, приемниках и др. – это те же, но усовершенствованные, вольтовы столбики – гальванические элементы.

Если составить столб из нескольких пар различных металлов, например цинка и серебра (без прокладок), то каждая цинковая пластина, заряженная электричеством одного знака, будет находиться в соприкосновении с двумя одинаковыми серебряными пластинами, заряженными электричеством противоположного знака, и их общее действие будет взаимно уничтожаться.

Для того чтобы действие отдельных пар суммировалось, необходимо обеспечить соприкосновение каждой цинковой пластины только с одной серебряной, т. е. исключить встречный металлический контакт. Это осуществляется с помощью проводников второго класса (влажных суконных кружков); такие кружки разделяют пары металлов и в то же время не препятствуют движению электричества.

Установлено, что электроны в проводнике движутся от отрицательного полюса (где избыток их) к положительному (где недостаток в них), однако и сейчас, как в прошлом веке, принято считать, что ток течет от плюса к минусу, т.е. в направлении, обратном движению электронов. Условное направление тока, кроме того, положено учеными в основу ряда правил, связанных с определением многих электрических явлений. В то же время такая условность никаких особых неудобств не создает, если твердо помнить, что на правление тока в проводниках противоположно направлению движения электронов. В тех же случаях, когда ток создается положительными электрическими зарядами, например в электролитах химических источников постоянного тока, ток «дырок» в полупроводниках, таких противоречий вообще нет, потому что направление движения положительных зарядов совпадает с направлением тока. Пока элемент или батарея действуют, во внешнем участке электрической цепи ток течет в одном и том же направлении. Такой ток называют постоянным.

Если полюсы элемента поменять местами, то изменится только направление движения электронов, но ток и в этом случае будет постоянным. А если полюсы источника тока менять местами очень быстро и к тому же ритмично? В этом случае электроны во внешнем участке цепи тоже будут попеременно изменять направление своего движения. Сначала они потекут в одном направлении, затем, когда полюсы поменяют местами - в другом, обратном предыдущему, потом вновь в прямом, опять в обратном и т. д. В цепи будет течь уже не постоянный, а переменный ток.

При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из стороны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электрическими колебаниями. Переменный ток выгодно отличается от постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, например, при помощи трансформатора можно повысить напряжение переменного тока или, наоборот, понизить его. Переменный ток, кроме того, можно выпрямить, то есть преобразовать в постоянный ток.

В течение 2 - 3 лет после создания вольтова столба рядом ученых было разработано несколько различных модификаций батарей гальванических элементов. Среди разнообразных конструкций вольтова столба особенного внимания заслуживает гальваническая батарея, построенная в 1802 г. В.В. Петровым (см. ниже).

Многочисленные эксперименты с вольтовым столбом, проводившиеся учеными разных стран, уже в течение 2 - 3 лет после создания столба привели к открытию химических, тепловых, световых и магнитных действий электрического тока.

В 1824 г. Араго описал явление «магнетизма вращения», удовлетворительно объяснить которое ни он, ни другие физики не могли. Сущность явления состояла в следующем (рис 4.2). Подковообразный магнит мог вращаться вокруг вертикальной оси, а над его полюсами находился алюминиевый диск, который также мог вращаться на оси, совпадающей по направлению с осью вращения магнита. В состоянии покоя никаких взаимодействий между диском и магнитом не наблюдалось. Но стоило начать вращать магнит, как диск устремлялся вслед за ним и наоборот. Чтобы исключить возможность увлечения диска потоками воздуха, магнит и диск были разделены стеклом.

Открытие электромагнитной индукции (1831 г.) помогло Фарадею объяснить явление Араго и уже в самом начале исследования записать: «Я надеялся сделать из опыта г-на Араго новый источник электричества». Фарадей впервые ввел понятие о магнитных силовых линиях, совокупность которых составляет магнитное поле, как физическую реальность. Им было доказано, что наведение тока имеет место только при движении проводника поперек магнитных силовых линий. Отсюда вытекала возможность генерирования электрического тока при перемещении замкнутого проводника в поле магнита.

Из диска Араго Фарадей действительно сделал новый источник электричества. В результате многочисленных опытов Фарадей построил первый электромагнитный генератор, так называемый «диск Фарадея», при помощи которого можно было получить электрический ток.

Заставив вращаться алюминиевый или медный диск между полюсами магнита, Фарадей наложил на ось диска и на его периферию щетки. Таким образом, была сконструирована электрическая машина (генератор постоянного тока), получившая позднее наименование униполярного генератора (рис. 4.4).

Дальнейшие исследования электромагнитной индукции привели к установлению законов о направлении индуктированного тока. Этот закон был сформулирован в 1832г. Эмилием Ленцем и позволил ему сформулировать важнейший для электротехники принцип - обратимость генераторного и двигательного режимов электрических машин.

Изобретение первого конденсатора

После того, как опыты с электростатическими генераторами получили широкое применение, совершенно естественной была попытка накопить и сохранить электрические заряды. В середине XVIII в. в Голландии, в Лейденском университете ученые под руководством преподавателя физики Питера ван Мушенбрука нашли способ накопления электрических зарядов. Таким накопителем электричества была «лейденская банка» – прообраз электрического конденсатора. Заряжалась она с помощью серного шара фон Герике.

Зная, что стекло не проводит электричество, Мушенбрук (в 1745 г.) взял стеклянную колбу, наполненную водой, опустил в нее медную проволоку, висевшую на кондукторе электрической машины, и, взяв банку в правую руку, попросил своего помощника вращать шар машины. При этом он правильно предположил, что заряды, поступавшие с кондуктора от серного шара Герике, будут накапливаться в стеклянной банке (рис. 2.3).

После того, как, по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, он решил левой рукой отсоединить медную проволоку. При этом он ощутил сильный удар. Так была изобретена лейденская банка (по имени г. Лейдена).

Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительное количество электричества.

Постепенно конструкция лейденской банки совершенствовалась: воду заменили дробью, а затем наружная поверхность покрывалась тонкими свинцовыми пластинами; позднее внутреннюю и наружную поверхности стали покрывать оловянной фольгой, и банка приобрела современный вид. В 70-х гг. 18 века металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком – так появился простейший электрический конденсатор (слово конденсатор означает сгуститель), а не соединяющиеся между собой полоски фольги называются обкладками конденсатора.

Первые аккумуляторы электрической энергии

Простейшими гальваническими элементами были элементы с одной жидкостью. К их числу относится вольтов столб и его видоизменения. Но, вследствие поляризации, действие таких батарей быстро ослаблялось, кроме того, они были неудобны в эксплуатации.

В.В. Петров в начале XIX в. создает предпосылки для создания аккумуляторов, проводит важнейшие эксперименты.

Изучив труды своих предшественников в области электричества, В. В. Петров пришел к логичному выводу о том, что более полное и всестороннее изучение явлений электрического тока возможно при наличии крупных гальванических батарей, действия которых будут более интенсивными и легче наблюдаемыми.