| 1. Как на примерах показать связь развития фундаментальных знаний по электричеству и магнетизму с изобретениями электроустановок, пригодных для использования? История познания человеком электрических и магнитных явлений, электрического тока и электромагнитных волн постоянно сопровождается настойчивыми поисками людей практичных, стремящихся скорее использовать научные открытия в хозяйственных целях. Поэтому справедливо будет сказать, что наука о практическом использовании явлений электромагнетизма – электротехника – зарождалась в недрах фундаментальных наук – физики и математики. Но она находила всеобщее признание даже на бытовом уровне, благодаря многочисленным практикам – изобретателям и конструкторам. Не все их попытки давали желаемые результаты. Но были и революционные результаты, предоставляющие человеку невиданные ранее возможности. Достаточно некоторые из них перечислить в хронологическом порядке, чтобы убедиться в тесной связи фундаментальной науки с повседневной практикой, чтобы увидеть тесную связь наиболее выдающихся изобретений не только с фундаментальными науками, но и между собой. Все это сыграло роль своеобразной “цепной реакции”, приведшей цивилизацию в качественно новую эпоху – эпоху электричества. 1796 год, некий Перкинс использует электричество для “излечения” болезней. Некоторые его методы до сих пор не забыты. 1750 год – Франклин зарядил лейденскую банку разрядом грозового облака, усовершенствовал ее и изобрел конденсатор. Он открыл проводники тока. Изобрел громоотвод (1760 год). 17.10.1831 год – Фарадей вдвигает железный сердечник в катушку и обнаруживает в ее цепи кратковременный всплеск тока. Он провел 16 041 эксперимент и пришел к открытию электромагнитной индукции. |
| 2. Как гальванический элемент был усовершенствован до современного вида? Мы уже знаем теперь, что все гальванические элементы основаны на превращении химической энергии в электрическую. Изобретатели таких источников со временем сообразили, что энергия в них выделяется при образовании химических соединений, и поглощается при химическом разложении этих соединений. Проще всего условия для такого процесса можно создать, погрузив металлический стержень или пластину в химическую агрессивную жидкость. Если поместить цинковый стержень в разбавленную серную кислоту, а затем проволочкой из другого металла соединить выступающий из жидкости конец стержня с этой кислотой, то в проволочке можно наблюдать протекание постоянного тока. Электрическая энергия появляется в результате химической реакции образования соли – сернокислого цинка. Лучше всего взять проволочку из меди, с которой слабая серная кислота практически не будет взаимодействовать. Это – простейшее средство получения постоянного тока. Именно этот принцип был заложен и в знаменитых вольтовых столбах. Подобные элементы выполнялись с различными конструктивными решениями, соединялись последовательно и параллельно. Все это позволяло выявить новые свойства гальванической батареи. Но все эти источники электрической энергии имели много недостатков. Главные из них – малая мощность, недолговечность. При подключении потребителя электрического тока такой источник в течение нескольких минут слабеет. Развитие телеграфа подтолкнуло к поиску путей совершенствования гальванических элементов. В 1828 году некто Кэмп обнаружил, что качество элемента заметно возрастает, если цинковую пластину покрыть слоем цинковой амальгамы (раствора цинка в ртути). Это позволило существенно повысить ресурс элемента. Однако скоро было обнаружено, что выделяемый в реакции водород в виде мелких пузырьков скапливается на медной пластине, что затрудняло прохождение тока. В результате в элементе даже возникал ток противоположного направления. Это явление получило название “поляризации” элемента. Устранить это явление удалось Даниэлю, который поместил пластины в разные жидкости: цинк – в разбавленную кислоту, медь – в раствор медного купороса. Было обнаружено, что в элементе Даниэля быстро вырабатывается медный купорос. Поэтому для продления срока службы достаточно было в раствор купороса подсыпать несколько отмерок твердых кристаллов медного купороса. Это обстоятельство вынудило изобретателей искать другой путь окисления водорода. Англичанин Грове предложил для этой цели азотную кислоту. При этом пришлось заменить медную пластину на золотую или платиновую. В элементе Бунзена дорогостоящая платина заменена углем. Это решение предложил немецкий химик Бунзен. Он научился изготовлять особо плотный уголь, обратив внимание на так называемый «ретортный уголь», которого в избытке было у любого химика тех времен. Аршеро усовершенствовал элемент Бунзена. Он поместил угольный электрод в глиняный, а цинковый цилиндр – разместил вокруг глиняного цилиндра. Поменял местами и растворы. Полученный элемент очень скоро получил широкое распространение. При этом приходилось мириться с вредными и неприятными испарениями азотной кислоты. Немецкий физик Поггендорф предложил заменить азотную кислоту хромовой. Элементы перестали давать тяжелый неприятный и вредный запах. В этом элементе удалось вообще устранить глиняный цилиндр. Сосуд заполнялся раствором двухромового калия с добавлением небольшого количества серной кислоты. В результате их взаимодействия выделяется хромовая кислота, которая обеспечивает окисление водорода. Неудобство эксплуатации элемента состояло лишь в том, что хромовая кислота разрушала цинк и при отсутствии тока в цепи. Поэтому отключение элемента приходилось выполнять тем, что цинковая пластина извлекалась из элемента. Далее химический элемент постоянного тока совершенствовался такими инженерами и учеными: Мейдингер (профессор из Карлсруэ), француз Лекланше, Грене, Калло, Де-ла-Рив, Флейшер и др. Однако все эти элементы содержали жидкую фракцию. Их невозможно было использовать на судах, других передвижных объектах. Была поставлена задача создания так называемого “сухого элемента”. Лекланше первый попытался решить эту задачу: он наполнил сосуд опилками, пропитанными раствором нашатыря. Сверху элемент герметично запечатывали варом. Однако опилки впитывали раствор плохо. Выделяющиеся газы вздували и срывали заливку из вара. Радикальное решение принял д-р Гесснер. Он наполнил элемент мягким тестом, состоящим из нашатыря, окиси цинка, воды и некоторых нейтральных веществ. Гесснер заменил стеклянный сосуд цинковым электродом в виде цилиндрического стакана. Сверху была устроена оболочка из папье-маше. Таким образом, уже в 60-х годах ХIХ века сухой элемент вполне сформировался и содержал основные элементы современной батарейки. Одновременно параллельно велись исследования по созданию газовых элементов. Существенных успехов в этом вопросе добился тот же Грове, газовый элемент которого использовал прямое окисление водорода в кислородной среде. Проблема прямого получения электрического тока из окисления веществ и сегодня находится под пристальным вниманием ученых. Вершиной успеха здесь является электрохимический генератор (ЭХГ), созданный в США и в Институте тока в СССР в 70-х годах ХХ века. В рассматриваемый период ведутся также настойчивые исследования термоэлектрических элементов. |
| 3.Как были устроены первые генераторы постоянного тока? Сегодня представляется странным, что принцип устройства генератора переменного тока люди знали уже с 1832 года, а практический интерес к нему стали проявлять только спустя 40-50 лет. Создатель первого генератора переменного тока остался неизвестным и скрывается за инициалами Р.М. Это была многополюсная синхронная машина с постоянными магнитами. Она вырабатывала однофазный ток. |
| 4.Кто создал первые электродвигатели постоянного тока и как они были устроены? Первый этап (1821-1834 гг.) – cоздание и экспериментальная проверка лабораторных приборов М.Фарадеем. В 1824 году была опубликована книга П.Барлоу “Исследование магнитных явлений”. Здесь приведено описание устройства под названием “колесо Барлоу”. Оно представляло собой два медных колеса с зубцами, сидящих на общей оси. Снизу зубцы колес соприкасались с ртутью. Колеса размещались между полюсами магнита. При пропускании тока через колеса последние начинали вращаться. Другая конструкция описана в 1833 году англичанином У. Ричи. Между полюсами подковообразного магнита на вертикальной оси размещался электромагнит. Направление тока в электромагните изменялось специальным коммутатором. Можно назвать также прибор американца (физика) Дж. Генри. В 1831 году он опубликовал статью “О начальном движении, производимом магнитным притяжением и отталкиванием”. Электромагнит этого устройства взаимодействует с полюсами магнита. Направление тока в катушке изменялось с помощью коммутатора, в котором в качестве контактов использовались чашечки с ртутью. Модель совершала круговые качательные (колебательные) движения с частотой 75 качаний в минуту. Второй этап (1834÷1860г.) открывается электродвигателем Б.С. Якоби. Он назвал модели с качательным движением ”…не более, чем игрушкой для обогащения физических кабинетов”. В 1834 году Якоби построил электродвигатель, который действовал тоже на принципе притяжения-отталкивания полюсов электромагнитов. В конструкции применены две группы “П”-образных электромагнитов. Одна из них была размещена на неподвижном, а вторая - на подвижном дисках. Подвижный диск был закреплен на валу, где размещались элементы коммутатора – прообраза современного коллектора. Третий этапсоздания электродвигателя постоянного тока связан с изобретения кольцевой обмотки в электродвигателе Пачинотти (1863 год). Только через 10 лет инженер Грамм использовал такую же кольцевую обмотку в якоре генератора постоянного тока. Первый генератор Грамма был снабжен самовозбуждением и использовался для питания осветительных приборов, в частности – знаменитых свечей Яблочкова. 1873 год – Немецкий электротехник Ф.Гефнер - Альтенек усовершенствовал обмотку Грамма, предложив т.н. якорь барабанного типа. |
| 5. Для чего создали первый генератор переменного тока и как он был устроен? Однако, несмотря нa явные успехи электроэнергетики на основе постоянного тока, к концу XIX века наметился некоторый кризис этого направления. В основном он был связан с проблемами, возникшими с необходимостью передачи электрической энергии на расстояние по проводам. Авторы проектов скоро поняли, что для сокращения расходов на провода с ростом передаваемой мощности целесообразно повышать электрическое напряжение системы. На постоянном токе это приводило к необходимости повышения выходного напряжения динамо-машины, возможности такого решения были ограничены по известным причинам. Поэтому внимание ученых и инженеров все больше привлекали системы переменного тока. Ведь к этому времени возможности повышения напряжения с помощью трансформаторов уже были хорошо известны. |
| 6.Кем были созданы и как устроены первые двигатели переменного тока? С электродвигателями переменного тока вопрос решался оригинально. Первый такой двигатель был синхронным. Он был создан в 1841 году Ч. Уитстоном. Двигатель был основан на взаимодействии постоянных магнитов и электромагнитов, питаемых переменным током. Такой двигатель не мог запускаться самостоятельно. Его нужно было раскручивать до подсинхронной скорости посторонними усилиями. Из-за сложности запуска распространения он не получил. Практическое применение начали получать с 1885 года коллекторные двигатели переменного тока. При одновременном изменении направления тока в якоре и катушках возбуждения коллекторной машины направление вращающего момента в ней сохранялось. Однако такие машины имели большие потери от вихревых токов, сильно грелись. В них практически не удавалось наладить безыскровую коммутацию на коллекторе. Поэтому использование их было весьма ограниченным. Повышенный интерес к источникам переменного тока возник только в связи с необходимостью передачи электрической энергии на расстояние и изобретением трансформатора. |
| 7.Как решался вопрос экономной передачи электрической энергии на расстояние? В 1874 году русский военный инженер Ф.А. Пироцкий пришел к выводу об экономической целесообразности выработки электрической энергии в местах, где она обходилась дешевле всего. Он провел опыты передачи на 1 км. Для уменьшения потерь сечение провода в 600 раз превышало сечение телеграфного кабеля. В 1875 году он попробовал передать электрическую энергию на расстояние 3,5 км по рельсам Сестрорецкой железной дороги. В 1876 году Сименс посетил Ниагарский водопад и высоко оценил его энергетические возможности. Он вычислил, что для передачи электрической энергии от Ниагарского водопада на расстояние 50 км (до ближайшего массового потребителя) понадобится медный проводник диаметром 75 мм. Другой путь снижения потерь при передаче электрической энергии был связан с необходимостью существенного повышения напряжения. Он провел опыты передачи на 1 км. Для уменьшения потерь сечение провода в 600 раз превышало сечение телеграфного кабеля. В 1875 году он попробовал передать электрическую энергию на расстояние 3,5 км по рельсам Сестрорецкой железной дороги. В 1876 году Сименс посетил Ниагарский водопад и высоко оценил его энергетические возможности. Он вычислил, что для передачи электрической энергии от Ниагарского водопада на расстояние 50 км (до ближайшего массового потребителя) понадобится медный проводник диаметром 75 мм. Другой путь снижения потерь при передаче электрической энергии был связан с необходимостью существенного повышения напряжения. |
| 8. Для чего и как были изобретены первые многофазные системы электрического тока? Начало современного этапа развития электротехники относится к последнему десятилетию ХIХ века. Именно в эти годы были радикально решены проблемы дальней электропередачи и электропривода переменного тока. В основе этих решений лежит использование многофазных систем. Практическое сравнение различных вариантов выявило убедительные преимущества трехфазной системы. Только в 1879 году англичанин У. Бейли повторил опыт Араго, но только не с вращением магнитов, а путем поочередного намагничивания расположенных по кругу электромагнитов. Опыт показал, что при бесконечно большом количестве электромагнитов можно добиться равномерного вращения диска. Так впервые вращающееся магнитное поле было получено путем специального питания совокупности смещенных в пространстве электромагнитов. Однако, история приписывает приоритет открытия вращающегося магнитного поля итальянцу Г. Феррарису и американцу югославского происхождения Н. Тесла. Они оба сделали сообщение о своем открытии в 1888 году независимо друг от друга. Феррарис и Тесла показали, что если две катушки, расположенные под прямым углом друг к другу, питать синусоидальными токами со сдвигом по фазе на 900, то создаваемое ими результирующее магнитное поле будет вращаться. При этом максимум индукции этого поля будет оставаться неизменным. Медный цилиндр, помещенный во вращающееся магнитное поле, приходит во вращательное движение. Таким образом, родился первый асинхронный электродвигатель. Поскольку источники переменного тока в это время были все еще однофазными, то запуск первого асинхронного двигателя достигался с помощью включения в цепь одной из обмоток фазосдвигающих элементов (активного сопротивления или конденсатора). Позже Н.Тесла удалось найти более эффективное решение. Для питания своего электродвигателя он изобрел генератор двухфазного тока. Однако, несмотря на все свои находки, Н.Тесла не удалось создать двигатель, который вызвал бы интерес у потребителя. Двигатели имели очень низкий КПД. Причины, как потом выяснилось, крылись в неправильной (массивной) конструкции ротора, низкой магнитной проводимости системы, далекой от идеальной формой распределения магнитного поля вдоль заряда. Лучше всех недостатки двухфазной системы и двигателя Н.Тесла разглядел М.О. Доливо-Добровольский. Он по праву считается основоположником трехфазной системы токов и изобретателем современного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутой роторной обмоткой. Первым важным шагом Доливо-Добровольского было изобретение ротора с обмоткой в виде «беличьей клетки». Активные стержни беличьей клетки были уложены в пазы роторного магнитопровода. КПД такого двигателя возрос в 1,5÷2 раза. Резко возросла его мощность. Двигатель стал конкурентоспособным с применявшимися тогда коллекторными двигателями постоянного и переменного тока. Но он обладал решающим преимуществом - был бесконтактным. Вторым историческим решением Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной системы токов на трехфазную. С одной стороны, увеличение числа фаз, как считал изобретатель, улучшало распределение магнитного поля по окружности, что повышало использование объема машины. Он отказался от выступающих полюсов на статоре и обмотку выполнил распределенной по внутренней цилиндрической поверхности статора. Применение на статоре барабанной обмотки придало этому двигателю вполне современный вид. |
| 9. Как устроен и работает асинхронный двигатель, изобретенный Доливо- добровольским? Лучше всех недостатки двухфазной системы и двигателя Н.Тесла разглядел М.О. Доливо-Добровольский. Он по праву считается основоположником трехфазной системы токов и изобретателем современного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутой роторной обмоткой. Первым важным шагом Доливо-Добровольского было изобретение ротора с обмоткой в виде «беличьей клетки». Активные стержни беличьей клетки были уложены в пазы роторного магнитопровода. КПД такого двигателя возрос в 1,5÷2 раза. Резко возросла его мощность. Двигатель стал конкурентоспособным с применявшимися тогда коллекторными двигателями постоянного и переменного тока. Но он обладал решающим преимуществом - был бесконтактным. Вторым историческим решением Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной системы токов на трехфазную. С одной стороны, увеличение числа фаз, как считал изобретатель, улучшало распределение магнитного поля по окружности, что повышало использование объема машины. Он отказался от выступающих полюсов на статоре и обмотку выполнил распределенной по внутренней цилиндрической поверхности статора. Применение на статоре барабанной обмотки придало этому двигателю вполне современный вид. |
| 10.Как выглядел трехфазный трансформатор, предложенный Доливо-добровольским? В 1889 году Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор. Современный вид такой трансформатор приобрел уже в 1891 году. Одновременно им же были разработаны трех- и четырех-проводная системы передачи трехфазного тока на расстояние. Доливо-Добровольский доказал, что именно трехфазная система переменного тока является наиболее удобной для передачи энергии на значительные расстояния. Трехфазный асинхронный двигатель стал главным потребителем этой энергии. Таким образом, в течение 2-3-х лет были разработаны все основные элементы трехфазной системы электроснабжения: трансформатор, линии электропередачи, электродвигатель. |
Глава 5. Начало электроэнергетики
2015-05-23
2902Поделись с друзьями:
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
|
|
Сейчас читают про:
5866
5803