Матющенко В.С. Матющенко С.В. История электроэнергетики
Подождите немного. Документ загружается.
XIX
в. появились приборы тепловой и
индукционной систем.
Параллельно с созданием и
усовершенствованием электроизмерительных
приборов шло развитие методов измерений. В
1832 г. Ленцем был предложен баллистический
метод измерения, основанный на применении
гальванометра с большим моментом инерции
подвижной части. При измерении этим
прибором действие тока представляется как
мгновен
ный удар (отсюда происходит и
название прибора: баллиста –
древнегреческое
метательное орудие), обеспечивающий
движение рамки прибора и после прекращения
тока в ней. Угол отклонения стрелки
пропорционален величине прошедшего через
прибор заряда.
В 1841 г. Поггендорф разработал сомпенсационный метод,
значительно повышающий точность измерений. Используя этот метод,
немецкий ученый Э. Дюбуа-Реймон в 1862 г. построил компенсатор –
прибор для точного измерения ЭДС, снабженный двухметровой
измерительной проволокой. В 1868 г. английский ученый Л. Кларк,
основываясь на принципе компенсатора, построил прибор, названный
им потенциометром. Он же для производства компенсационных
измерений изготовил гальванический элемент с постоянной, точно
определенной ЭДС (1,4328 В при 15 °C). С 1893 г. нормальный
элемент Кларка был вытеснен элементом Вестоном.
Появляются приборы и методы измерения сопротивлений. В 1840–
1860 гг. разрабатываются первые конструкции реостатов (например,
вольтагометр Якоби), реохордов (Поггендорф), магазинов
сопротивлений и ряда других аналогичных устройств.
В 1843 г. английский физик Ч. Уитстон разработал специальный
метод измерения сопротивлений, построив так называемый мост
Уитстона, ставший впоследствии основным прибором для измерения
сопротивлений. Якоби и Уитстон построили первые переменные
реостаты с отсчетом сопротивления (рис. 30).
Рис. 30. Реостаты Уитстона (слева) и Якоби
Быстрое развитие технического применения электричества – в
генераторах, электродвигателях, освещении, в устройствах связи
оказывало огромное стимулирующее влияние на создание и
совершенствование средств и методов измерений. Уже к 80-м гг. XIX в.
электроизмерительные приборы достигли высокой степени
совершенства. Большое количество приборов, изготавливаемых
электротехническими компаниями и лабораториями Европы и Америки,
демонстрировалось на выставке, организованной первым
международным конгрессом электриков, проходившим под
председательством министра почт и телеграфов Франции в 1881 г. в
Париже. Здесь были выставлены приборы разных конструкций и
различной чувствительности. Наряду с гальванометрами, способными
обнаруживать ток силой до 10
-10
ампер, имелись приборы, рассчитанные
на измерение токов силой в несколько десятков ампер. Были показаны
амперметры и вольтметры для работы с цепями переменного тока,
эталоны и магазины сопротивлений, реостаты, мосты для измерения
сопротивлений и емкостей.
Развитие средств и методов измерений требовало установления
единой системы электрических единиц. Несмотря на успехи в области
измерительной техники такой системы в середине XIX в. еще не
существовало. Первоначально для измерения электрических величин
использовались произвольно выбранные единицы. Например, в
качестве единицы напряженности магнитного поля принималась
напряженность земного магнитного поля в Лондоне. Понятие
электрических единиц нередко отождествлялось с понятием эталона.
Исследователи часто вводили свои собственные единицы. Во многих
лабораториях России и Европы получила распространение «единица
сопротивления Якоби», предложенная в 1848 г., эталоном которой
служила катушка, выполненная из медной проволоки определенных
длины и сечения, помещенная в специальный ящик и залитая
изолирующим составом. Эталон этой единицы выпускался серийно.
Существовали и другие единицы сопротивления, например, ртутный
эталон Э.В. Сименса (1859). По словам Якоби, положение с
электрическими единицами напоминало ситуацию в обыденной жизни,
когда каждый член общества пользуется собственными метрами или
футами.
Впервые понятие о системе единиц измерения физических
величин ввел в 1832 г. Гаусс, занимаясь исследованиями земного
магнетизма. В своей работе «Напряжение земной магнитной силы,
приведенное к абсолютной мере» он разработал методику построения
такой системы, в которой основными были единицы длины, массы и
времени. Единицы измерения всех остальных физических величин, в
том числе и магнитных, Гаусс определил с помощью математических
соотношений, устанавливающих связи между ними и основными
единицами. В 1851 г. Вебер, развивая систему Гаусса, выразил через
единицы длины, массы и времени единицы электрического
сопротивления, ЭДС, силы тока.
Однако для практического применения единицы электрических и
магнитных величин в этих системах были неудобны – одни чересчур
малы, другие, наоборот, очень велики. Общепризнанные, удобные для
практики, единицы электрических и магнитных величин были
установлены только во второй половине XIX в.
Первый шаг в этом направлении был сделан Британской
ассоциацией для содействия развитию наук. В 1861 г. ею был создан
Комитет по электрическим эталонам, в который входили крупнейшие
ученые того времени. Комитет предложил дополнительно к
существующим системам ввести «абсолютную систему практических
электрических единиц». Были установлены величины и наименования
для следующих электрических единиц: для ЭДС – «вольт», для
электрической емкости – «фарада», для сопротивления – «омада» или
«ом». Был предложен также эталон сопротивления, изготавливаемый из
сплава, содержащего 2 части серебра и 1 часть платины.
Эта работа была продолжена на Первом международном
конгрессе электриков (Париж, 1881). Учрежденная конгрессом
специальная комиссия установила единицы силы тока и количества
электричества, дав им наименования «ампер» и «кулон», и
выработала предложения по изготовлению эталонов единиц этой
системы.
Второй международный конгресс электриков в 1889 г. дополнил
систему единицей энергии («джоуль»), единицей мощности («ватт») и
единицей индуктивности, получившей впоследствии название
«генри».
Работа по совершенствованию системы единиц измерения
электрических величин продолжалась на Международном конгрессе
электриков в Чикаго в 1893 г. и на Международной Лондонской
конференции электриков в 1908 г. С этого времени система
международных электрических единиц стала вводиться в разных
странах и получила широкое распространение. В нашей стране она
была введена постановлением Высшего совета народного хозяйства
РСФСР от 7 февраля 1919 г. и в 1929 г. зафиксирована в общесоюзном
стандарте ОСТ 515 «Международные электрические единицы».
Большую роль в решении проблемы создания системы единиц
измерения сыграл Международный комитет мер и весов, созданный в
1875 г. и состоявший первоначально из представителей 18
государств. В 1958 г. комитет принял решение о целесообразности
введения Международной системы единиц измерения (SI). В октябре
1960 г. в Париже на XI Генеральной конференции по мерам и весам
это решение было утверждено и была принята резолюция,
рекомендующая Международную систему единиц к практическому
применению. В нашей стране система СИ была введена с 1 января
1963 г. для предпочтительного применения и с 1 января 1982 г. для
обязательного применения.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие приборы применялись для регистрации и измерения
электрического заряда?
2. Какими были первые приборы для измерения электрического
тока?
3. Что такое мультипликатор?
4. Что такое астатическая пара? Кем и когда она была
предложена?
5. Как шло развитие электроизмерительных приборов?
6. Какова история создания системы электрических единиц?
10. ПЕРВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
10.1. Электродвигатели
Первую установку, демонстрирующую непрерывное вращение
магнитов и проводников с током друг около друга, в 1821 г. построил
Фарадей.
Установка (рис. 31) состояла из двух чашек 1 и 2, наполненных
ртутью, в которые через днища были введены проводники 5 и 6,
соединенные с полюсами гальванической батареи. В чашки помещались
магниты 3 и 4. Магнит
в правой чашке закреплялся жестко и был неподвижен, а левый магнит
присоединялся к проводнику 5 ниткой и находился в свободном
состоянии. На стойке между чашками было укреплено коромысло 7,
левое плечо 8 которого было неподвижно и погружено в ртуть в левой
чашке. В правую чашку опускался свободно висящий металлический
стержень 9, подвешенный к правому плечу коромысла. Ртуть в чашках
обеспечивала подвижный контакт. При пропускании тока через цепь
подвижные части установки начинали вращаться – в левой чашке
магнит вокруг проводника, в правой – проводник вокруг магнита.
В развитии электродвигателей можно
отметить три этапа. Э
то разделение
является, конечно, условным, поскольку
отдельные конструкции и принципы
действия, характерные для одного этапа,
встречаются и на других этапах.
Начальный этап развития
электродвигателей (1821–
1834)
характеризовался созданием
лабораторных уста
новок небольшой
мощности, показывающих возможность
непрерывного преобразования
электрической энергии в механическую и
совершения вращательного или
колебательного движения.
Первые устройства не выходили за
рамки лабораторных исследований и,
вследствие своей
незначительной
мощности, не могли иметь практического
применения. Их значение состояло в том,
что они стимулировали поиск конструкций
мощных двигателей, пригодных для
практических целей.
В 1824
г. вышла книга англичанина
П.
Барлоу «Исследование магнитных
притяжений», в которой описывался
прибор, ставший известным под
названием «звездное колесо» или
«колесо Барлоу» (рис. 32).
На деревянной подставке 1
на стойках
устанавливалась ось 8
с закрепленными
на ней медными зубчатыми колесами 6
и 7. Нижние зубцы коле
с располагались
между полюсами постоянных магнитов
и соприка
сались с ртутью, налитой в
желоба 2 и 3
. К желобам от вольтова
столба подводились проводники (на
рисунке не показаны). В результате
взаимодействия поля постоянного
магнита с электрическим током,
протекающим через зубец,
соприкасающийся с ртутью, происходило
вращение колеса с достаточно большой
скоростью. Изменение направления тока
путем перемены контактов или изменение
положения полюсов магнитов приводило
к изменению направления вращения
колес.
Другая конструкция электродвигателя малой мощности была
описана в 1833 г. профессором Лондонского университета У. Риччи
(рис. 33).
Рис. 32. Колесо Барлоу
Рис. 33. Электродвигатель Риччи
Магнитное поле в этом двигателе создавалось неподвижным
постоянным подковообразным магнитом, поставленным полюсами
вертикально вверх. Между полюсами на вертикальной оси помещался
электромагнит, к обмоткам 1 и 2 которого через специальное устройство
– коммутатор – от гальванической батареи подводился электрический
ток. Коммутатор представлял собой цилиндрический сосуд 3,
разделенный вертикальной изолирующей перегородкой на две части, в
каждую из которых была налита ртуть. При вращении электромагнита
концы его обмоток, переходя из одной части коммутатора в другую,
меняли направление тока в катушке, в результате чего дважды за один
оборот менялась полярность полюсов электромагнита. Тем самым
вызывалось периодически повторяющееся взаимодействие полюсов
постоянного магнита и электромагнита, создающее чередующиеся
пульсирующие вращающие моменты одного направления.
В 1831 г. Генри в статье «О качательном движении, производимом
магнитным притяжением и отталкиванием» описал устройство, в
котором движение носило колебательный характер (рис. 34).
На подставке вертикально устанавливались два полосовых
магнита 4, обращенные одноименными полюсами вверх. На
деревянной стойке 3 между ними укреплялся в виде коромысла
электромагнит 1, имевший возможность свободно колебаться вокруг
оси 2. Обмотки электромагнита присоединялись к двум парам
изогнутых проводников А, Б и А’, Б’, концы которых поочередно
опускались в чашечки с ртутью, припаянные к полюсам двух
гальванических батарей. При этом направление тока в обмотках
электромагнитов периодически изменялось, в результате чего
изменялась и полярность полюсов электромагнита. Плечи коромысла
поочередно притягивались то к левому, то к правому магниту,
совершая равномерные качательные движения. Электродвигатель
Генри совершал 75 колебаний
в минуту и имел по современным подсчетам мощность порядка 44
мВт.
Рис. 34. Схема двигателя Генри
Аналогичные устройства предлагались также другими учеными и
изобретателями. Профессор физики Падуанского университета
С. Негро в 1834 г. продемонстрировал двигатель, в котором
постоянный магнит под действием магнитного поля электромагнита
совершал колебания, преобразуемые затем во вращательное
движение. В том же году профессор физики Туринского университета
Д. Ботто описал устройство, в котором электромагнит, находящийся
между двумя соленоидами на одной оси с ними, совершал возвратно-
поступательное движение и с помощью специального рычага
приводил во вращение металлическое колесо.
Второй этап развития электродвигателей (1834–1860)
характеризовался преобладанием конструкций значительной
мощности, основанных на принципе притяжения и отталкивания
между электромагнитами или электромагнитами и постоянными
магнитами.
Значительный вклад в разработку и создание таких электрических
машин внес Якоби. Он одним из первых оценил возможности
электрической энергии и указал на значительные преимущества
электрического двигателя перед паровым. В одном из писем он
указывал на такие достоинства электродвигателя, как простота и
легкость конструкции, отсутствие механизма возвратно-
поступательного движения, отсутствие необходимости в высоких
дымовых трубах и опасности взрыва, значительное уменьшение
эксплуатационных расходов.
В 1834 г. Якоби построил первый практически пригодный
электродвигатель, способный поднимать за одну секунду груз весом
12 фунтов на высоту до 1 фута, что составляло мощность примерно
15 Вт. Этот двигатель имел две группы П-образных электромагнитов,
из которых одна, содержащая четыре электромагнита, располагалась
на неподвижной раме, а другая, аналогичная, крепилась к диску,
расположенному на оси и имеющему возможность свободно
вращаться. Источником энергии служила батарея гальванических
элементов. Для попеременного изменения полярности подвижных
электромагнитов служил коммутатор – специальный переключатель,
периодически изменяющий направления токов в катушках
электромагнитов. Конструкцию двигателя Якоби первоначально
описал в сообщении Парижской академии наук, а в 1835 г. в работе «О
применении электромагнетизма для приведения в движение машин».
С целью увеличения мощности Якоби построил сдвоенный
электродвигатель, работающий на описанном принципе (рис. 35).
Двигатель имел 24 неподвижных П-образных электромагнита
и 12 подвижных стержневых электромагнитов и развивал мощность
порядка 120–150 Вт.
В 1838 г. Якоби построил более мощный двигатель, состоящий из 40
элементов. Неподвижная часть каждого из них (рис. 36) представляла
собой два дугообразных электромагнита 1, соединенных между собой
скобами из немагнитного материала 2. Внутри помещалась система из
четырех укрепленных на валу, свободно вращающихся электромагнитов
3. Направления токов в подвижных электромагнитах с помощью
специального коммутатора менялись таким образом, чтобы
взаимодействие магнитных полюсов подвижной и неподвижной части
(их взаимное притяжение и отталкивание) обеспечивало вращающий
момент одного направления.
Рис. 35. Сдвоенный
электродвигатель Якоби
Рис. 36. Модель одного элемента
электродвигателя Якоби
конструкции 1838 г.
С целью проведения исследований этого электродвигателя была
создана «Комиссия для производства опытов относительно
приспособления электромагнитной силы к движению машин по способу
профессора Якоби», председателем которой был адмирал И.Ф. Кру-
зенштерн и в состав которой входили Э.Х. Ленц, П.Л. Шиллинг и др.
Двигатель и 320 гальванических элементов для его питания были
установлены на «электрическом боте». Двигатель приводил во
вращение гребные колеса, расположенные по обоим бортам судна.
В 1839 г. газета «Северная пчела» писала: «Катер с 12
человеками, движимый электромеханической силой (в 3/4 силы
лошади), ходил несколько часов противу течения при сильном
противном ветре».
Проведенные испытания
подтвердили возможность применения
электродвигателя для практических
целей, но в то же время установили, что
применение гальванических батарей в
качестве источника крайне
неэкономи
чно. Дальнейшие
исследования показали, что решение
вопроса о широком применении
электродвигателей находится в прямой
зависимости от удешевления
электроэнергии, т.
е. от создания более
экономичного генератора электрической
энергии.
Несмотря на то, что первы
е
двигатели могли питаться только от
гальванических батарей, они, тем не
менее, находили практическое
применение уже в то время. Например, в
типографиях, работавших периодически,
а не в течение целого рабочего дня,
было выгоднее устанавливать
электродвигат
ели, а не паровые
машины. В этих и аналогичных случаях
имел распространение электродвигатель
французского электротехника
П. Фромана (рис. 37).
Электрический ток в его двигателе с
помощью специального коммутатора
поочередно подводился к неподвижным
электром
агнитам, размещенным на
станине. На вращающемся колесе на
равных расстояниях друг от друга
параллельно оси располагались толстые
пластины из мягкой стали. Ток по
обмоткам электромагнитов протекал в
таких направлениях, что их
притягивающее действие на пласт
ины
происходило всегда в одном и том же
направлении, в результате чего вал
машины приводился во вращение.
Для приведения в движение станков применялся аналогичный по
принципу действия двигатель, сконструированный в 1837 г. аме-
риканским техником Т. Дэвенпортом, в котором взаимодействовали
подвижные электромагниты с неподвижными постоянными магнитами.
В электродвигателе, построенном в 1839 г. русским инженером В.
Кайдановым, вращающий момент создавался взаимодействием
неподвижных и подвижных электромагнитов.
Все рассмотренные электродвигатели действовали на простейшем
принципе взаимных притяжений и отталкиваний магнитов или
электромагнитов. Эти двигатели имели крупные габариты, относительно
небольшую мощность, большое магнитное рассеивание и низкий КПД.
Крупным недостатком являлся также непостоянный, толчкообразный,
вращающий момент.
Предпринимались попытки создать электродвигатели, основанные на
принципе поочередного втягивания стальных сердечников в два
различных соленоида; получавшееся при этом возвратно-поступательное
движение преобразовывалось посредством шатунно-кривошипного
механизма во вращательное движение вала, снабженного для
равномерности хода маховыми колесами. Фактически здесь
использовались принципы и кинематические особенности работы
паровых машин. Такими были электродвигатели, построенные в 1845 г.
профессором Колумбийского колледжа Ч. Пейджем (рис. 38), и в 1850 г.
профессором Парижского университета Бурбузом (рис. 39).
Рис. 38. Двигатель Пейджа
Рис. 39. Двигатель Бурбуза