Общественная потребность и научные открытия — основные факторы, определяющие появление изобретений

Как уже отмечалось в § 2.5, всё возрастающие потребнос­ти человеческого общества, вызванные как его количествен­ным ростом, так и ростом потребностей каждого члена этого общества, являются главной движущей силой, стимулирую­щей работу по созданию различных изобретений.

В основе любого изобретения (даже мельчайшего) лежат физические явления и эффекты, открытые человеком в про­цессе взаимодействия с природой. Причем одни и те же фи­зические явления и эффекты могут быть основой множест­ва изобретений, существенно отличающихся друг от друга. Открытие новых явлений и эффектов часто приводит к ос­нованию и появлению новых потребностей, которые в свою очередь побуждают вести работы по изобретению новых ТС, удовлетворяющих эту потребность. Рассмотрим некоторые крупнейшие, или даже великие изобретения, приведшие к значительным изменениям в жизни человеческого общества, и определим те физические явления и эффекты (физико-тех­нические эффекты), которые лежат в их основе [20,25,58,60].

Покажем, что в основе колеса, паруса, плуга, появив­шихся ещё в древности, лежит понимание человеком окру­жающей природы и её явлений и использование этих явле­ний для создания орудий труда. Рассмотрим также великие

 

изобретения в области электромеханики: электрический ге­нератор, электродвигатели и др.

1. Колесо. В основе работы колеса лежит эффект механи­ческого перемещения двух соприкасающихся тел относи­тельно друг друга, при условии отсутствия проскальзывания за счет трения одного тела относительно другого. Это эффект качения тел. Изобретение колеса является одним из вели­чайших творений в истории человечества. Оно дало мощный толчок развитию техники. Появились повозки, блоки, водя­ные колеса, мельницы, в основе которых лежит колесо.

2. Парус. Используется для преобразования кинетической энергии ветра (явление природы) в кинетическую энергию движения паруса и судна (на котором закреплен парус), за счет силы давления на парус движущимися частицами воздуха (см. приложение 3, номер 120). Ветер вызван перемещением слоев воздуха от мест с более высоким давлением в места с более низ­ким давлением. Неравномерность давлений возникает из-за неравномерности поступления тепла в атмосферу Земли. Па­рус был изобретен еще в глубокой древности и устанавливался на лодках. Вначале парус представлял собой просто натянутую звериную шкуру. На древнейших дошедших до нас изображе­ниях кораблей египетской царицы Хатшепсут можно видеть уже закрепляемые на мачте паруса. Мачта удерживалась от падения при помощи тросов. Наибольшее развитие парусный флот получил в XVI - XVIII веках нашей эры.

3. Плуг. При изобретении плуга использован эффект раз­резания почвы проволакиванием сквозь неё более твердого, чем почва, заостренного тела (ножа, лемеха). Как известно, на протяжении тысячелетий земледелие было мотыжным. Производительность труда была небольшой. Но мотыга под­ходит лишь для мягких почв. Для более трудных почв с пе­реплетением корней требовалось другое орудие. Так появил­ся плуг. Вначале был изобретен безотвальный плуг, затем появились плуги с отвалом, то есть с перевертыванием дёр­на. Плужное земледелие преобразовало сельское хозяйство и в значительной степени способствовало появлению многих цивилизаций.

4. Электрический генератор. В основе его работы лежит открытое в 1831 году М. Фарадеем явление электромагнитной индукции, согласно которому при всяком изменении магнит­ного потока, пронизывающего какой-либо контур, в котором наводится электродвижущая сила (см. прил. 3, № 233). Пос­ледствия этого открытия для всей человеческой цивилизации были огромны. Несколько ранее Фарадея явление электро­магнитной индукции было открыто американским физиком Джозефом Генри (1797-1878), но не было во время опубли­ковано. Однако после открытия М. Фарадея прошло около 40 лет прежде чем удалось найти рациональную конструкцию и наладить серийное производство электрических генераторов. Первый примитивный генератор был предложен самим М. Фарадеем. И лишь в 1870 г. З.Г. Грамм, бельгийский изоб­ретатель, живший во Франции, образовал «Общество произ­водства магнитоэлектрических машин» и наладил серийное производство генераторов, которые произвели подлинную ре­волюцию в электроэнергетике. Они были самовозбуждаемы­ми, с кольцевым якорем, имели высокий КПД и обеспечива­ли практически постоянный ток (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Самовозбуждающийся генератор Грамма: 1 - ста­нина, 2 - обмотка возбуждения, 3 - наконечники полюсов, 4 - якорь, 5 - коллектор 245

 

Первые машины Грамма были генераторами постоянного тока, но, когда появилась необходимость в переменном токе, они были легко переделаны в генераторы переменного тока путем замены коллектора двумя токосъёмными кольцами. Машины Грамма, благодаря своим высоким технико-эконо­мическим показателям, быстро вытеснили на рынке другие конструкции генераторов.

5. Электродвигатель постоянного тока. Изобретение промышленного электродвигателя постоянного, а затем и пе­ременного тока - величайшее достижение конца XIX века.

Существенные недостатки парового двигателя - низкий КПД, трудность передачи (дробления) энергии - с изобрете­нием электродвигателя устранились. Как известно, паровой двигатель приводил в движение сразу несколько станков, причем движение передавалось при помощи механической передачи - шкивов и ремней — на расстояние, определяе­мое работоспособностью этой передачи. С внедрением элек­тродвигателей появилась возможность поставить на любой станок свой собственный двигатель. При этом расстояние между электродвигателем и источником электроэнергии не имеет существенного значения, так как электроэнергия по электропроводам передается на большие расстоянии без су­щественных её потерь.

Компактный, экономичный, удобный электродвигатель стал одним из важнейших элементов производства, вытес­нив другие двигатели.

П^вым был разработан электродвигатель постоянного ток* акой двигатель был создан русским электротехни­ком С.М. Якоби в 1834 году. Двигатель работал на основе ис­пользования явления притяжения разнополярных и оттал­кивания однополярных электромагнитов, с управлением полярностью электромагнитов при помощи специального коммутатора. Источником энергии была батарея постоян­ного тока, малая мощность которой сдерживала развитие и применение электродвигателей. Лишь с созданием элек­трических генераторов, как мощных источников постоян­ного тока, расширилось применение электродвигателей.

Наиболее широкое распространение получили двигатели постоянного тока, работающие на основе использования от­крытого в 1822 году М. Фарадеем явления электромагнит­ного вращения проводника с током в магнитном поле (см. прил. 3, п. 104). Такие машины производятся до настояще­го времени благодаря их отличным регулировочным свойс­твам, наиболее простому и экономичному регулированию частоты вращения изменением напряжения и магнитного потока.

6. Асинхронный электродвигатель. Этот электродвига­тель работает на переменном токе. Его созданию предшес­твовало, как отмечено нами ранее, открытие Феррарисом и Тесла явления вращающегося электромагнитного поля, Фарадеем - явления электромагнитной индукции (прил. 3, п. 233) и явления электромагнитного вращения проводника с током в магнитном поле (прил. 3, п. 104).

Важнейшим преимуществом асинхронного двигателя перед двигателями постоянного тока является отсутствие у него коллектора.

Простота асинхронных двигателей, особенно с коротко- замкнутым ротором, их надежность и невысокая стоимость обеспечили им доминирующее положение в системе элект­ропривода промышленных предприятий.

Существенный недостаток асинхронных двигателей- трудность регулирования его скорости, не позволили им полностью вытеснить машины постоянного тока, особенно на транспорте, где требуется регулирование частоты враще­ния в очень широком диапазоне.

Первые промышленные асинхронные двигатели были двухфазными. Они были предложены Н. Тесла, создавшим двухфазную систему, состоящую из генератора, дающего два тока, сдвинутых по фазе на 90°, и двухфазного двигате­ля. Однако они оказались неконкурентоспособными по сле­дующим причинам:

а) двигатели имели явновыраженную полюсную систему, что приводило к увеличению их магнитного сопротив­ления и ухудшению характеристик;

б) система требовала для передачи энергии 4 провода, то есть по сравнению с постоянным током число проводов увеличивалось в 2 раза.

Более совершенной оказалась система трехфазных токов, предложенная М.О. Дол иво-Добровольским, которая нами описана ранее.

Свой первый трёхфазный асинхронный двигатель он пос­троил в 1899 году. Впечатление от работы этого двигателя, произведенное на руководство фирмы АЭГ, в которой ра­ботал М.О. Доливо-Добровольский, было огромным. Стало ясно, что это окончание долгого, мучительного пути созда­ния промышленного электродвигателя, с высоким КПД, с высокой надежностью в работе и простотой обращения в экс­плуатации (см. на рис. 7.2 современную конструкцию асин­хронного двигателя).

Асинхронные двигатели быстро распространились по всему миру, находя применение в самых разнообразных сфе­рах производства.

7. Трансформатор. Работа трансформатора основана на использовании явления электромагнитной индукции (прил. 3, п. 233). Это устройство позволило разрешить мно­жество проблем электротехники. Первый трансформатор можно считать был создан М. Фарадеем, наблюдавшим на­ведение тока в катушке при пропускании тока по обмотке катушки, находящейся рядом с ней. Сам М. Фарадей этот эффект для преобразования напряжения не использовал.

В1848 году Румкорф одним из первых обратил внимание на возможность с помощью трансформатора создавать очень высокое напряжение.

На протяжении нескольких десятилетий трансформато­ры не использовались. И только в конце 70-х годов XIX века П.Н. Яблочков для «дробления» энергии при питании отде­льных свечей стал использовать индукционные катушки. Первичные обмотки катушек включались последовательно в цепь. А во вторичную обмотку одна или две свечи. В слу­чае потухания одной из свечей цепь не прерывалась и другие свечи продолжали гореть.

Рис. 7.2. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ро­тором: 1 - станина; 2 - пакет статора; 3 - обмотка ста­тора; 4 - пакет ротора; 5 - обмотка ротора; 6 - паз стато­ра; 7 - паз ротора

 

Наиболее широко трансформаторы стали применяться с развитием техники переменных токов. В 1882 году JI. Го- ляр и Э.Д. Гиббс предложили трансформаторы не только для «дробления» энергии, но и для преобразования напряжения по значению, то есть коэффициент трансформации их был отличен от единицы (см. рис. 7.3).

Трансформатор имел выдвижные сердечники 2, прохо­дящие внутри катушек 1.

В 90-е годы XIX века был разработан промышленный тип трансформатора с замкнутой магнитной системой бра­тьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон (1884 год). Сердеч­ник 1 (рис. 7.4) был набран из стальных полос или прово­лок, изолированных друг от друга для снижения потерь от вихревых токов.

Рис. 7.3. Трансформатор Голяра и Гиббса

 

 

Рис. 7.4. Схема трансформатора братьев Гопкинсон

 

На сердечнике размещались поочередно катушки высо­кого 2 и низкого 3 напряжения. Трансформатор с замкнутым сердечником имел меньшие потери и более высокий КПД.

В 1885 году венгерский электротехник М. Дери дока­зал, что трансформаторы должны включаться параллельно. Включение нескольких параллельно работающих транс­форматоров вместо одного суммарной мощности позволяет обеспечить бесперебойное энергоснабжение при аварии в каком-либо трансформаторе или отключении его для ремон­та. Это также удобно при значительном изменении графика нагрузки. В случае уменьшения мощности нагрузки можно отключить один или несколько трансформаторов, чтобы ос­тавшиеся работали при номинальной нагрузке и имели вы­сокие КПД и cos q>.

б)

а) Рис. 7.5. а) трехфазные трансформаторы Доливо-Добро- волъского «призматического» типа; б) трехфазные транс­форматоры Доливо-Добровольского с параллельным распо­ложением стержней в одной плоскости