Электричество в жизнь.
В предыдущей статье «История познания электричества» был показан путь познания электричества, начиная с обнаружения электрического заряда, до исследования электрических процессов и формулирование основных законов электротехники.
В этот период изучение электричества проводилось в лабораторных условиях, то-есть этим занимались только ученые, интересующиеся этой областью. К началу 19-го века., они свою часть задачи познания выполнили - была создана основа понимания электрических процессов. Дальнейшая задача состояла во внедрении разработанных учеными теоретических положений в сферу практического использования.
Промышленники довольно быстро увидели практическую и экономическую перспективу электротехнических открытий и с охотой начали начали вкладывать средства в освоение этой новой отрасли техники, по созданию изделий, и новых технологических решений, основанных на использовании электричества. Однако жизнь показала, что путь от теоретических открытий до практического использования и эффективного экономического результата. достаточно тяжел и долог.
Основные усилия по внедрению этих разработок проводились в основном в трех направлениях.
-Разработка эффективных и технологических реальных электродвигателей.
- Разработка эффективных и технологически реальных генераторов
электрической энергии.
– Разработка эффективных светильников
Изготовление электродвигателей.
Принято считать автором первого электродвигателя Майкла Фарадея, который первым обнаружил движение проводника с током в магнитном поле в 1821 году.. Однако, сделанный им электродвигатель годился только для демонстрации.
Более близкий к реальному использованию был электродвигатель, изготовленный Пикси в1832 году. В его конструкции был применен принцип переключения полюсов при вращении ротора, первый коммутатор — коллектор..
В 1833 году английский физик Стерджен Уильям продемонстрировал электродвигатель на постоянном токе. Отмечается, что это был первый двигатель годный к использованию.
В 1833 году российский академик Ленц, разрабатывая очередную конструкцию электродвигателя устанавливает важное заключение о взаимной обратимости, то-есть двигатель может быть переведен в режим генератора и наоборот.
В 1834 году Мориц Герман фон Якоби — академик Императорской Санкт-Петербургской Академии создал электродвигатель с выходом на вращающийся вал. В 1839 году этот двигатель был установлен на водном судне
По приведенному краткому перечню разработок за период 1820-1835 годы, можно представить интенсивность появления новых и новых конструкций этого вида электродвигателей в всех странах Европы и Америки. Таким образом, ко второй половине девятнадцатого века уже установилась наиболее рациональная конструкция электродвигателя.
Генераторы электроэнергии
Первыми источниками электроэнергии были химические батареи, типа «Вольтова столба», которые, даже после некоторых усовершенствований, были дорогими и, кроме того, они быстро разряжались, и имели малую мощность.
1803 году немецкий физик Джоан Вильгельм Риттер обнаружил возможность восстановления разряженного гальванического элемента путем подключения его к другому источнику электричества, что было прообразом будущего аккумулятора.
1854 год. Немецкий врач Вильгельм Зинстеден опробовал аккумулятор с использованием свинца и кислот.
1859 год. Французский инженер Гастон Планте создал практически современный свинцовый аккумулятор.
Однако разработки химических источников электроэнергии не решали проблемы надежного и длительного электроснабжения, поскольку они разряжались и требовали последующей зарядки, то-есть могли использоваться как дополнительный источник, при наличии надежного генератора.
Как сказано выше, в 1833 году русский академик Ленц установил, что вращающиеся электродвигатели могут быть переведены в режим генератора. В дальнейшем и по сегодняшний день основным источником электроэнергии используются вращающиеся электрогенераторы, которые получают вращение от паровых машин, паровых турбин и гидротурбин и ветровых потоков, то-есть они преобразовывают механическую энергию в электрическую..
Развитие конструкции осветительных приборов..
Девятнадцатый век — разрабатываются в основном два вида светильников:
для получение свечения как от электрической дуги, так и от раскаленной нити накаливания..
Дуговая система построена на двух токопроводящих стержнях и изоляционной прокладкой между ними. На концах стержней возникает электрическая дуга, создающая свечение. По мере сгорания стержней и прокладки, лампа гаснет и требует замены.
Доведена до реального использования дуговая лампочка Яблочкова.
В 1877 году с уже разработанной конструкцией дуговой лампы Яблочков приезжает в Париж, где добивается больших успехов. Этими лампами освещались улицы и здания Парижа, Лондона, Берлина и Сан-Франциско. Но в конце 19-го и в начале 20-го веков дуговые лампы начали заменяться лампами накаливания, как на более надежные, абсолютно бесшумные и удобные.
Тем не менее дуговые лампы продолжают использоваться и в настоящее время, когда требуется особо высокая освещенность — например при съемках кинофильмов, в прожекторных установках. Современные ксеноновые дуговые лампы большой мощности, до 100 квт, используются для освещения больших пространств как : крупные стадионы, железнодорожные станции, крупные стройки, портовые или железнодорожные территории.
Поиск рациональной конструкции лампы накаливания тоже был непростым. Шел поиск материала нити накаливания, были опробованы почти все металлы. Большую роль в поиске решения о долговечности работы лампы сыграло разработка способов устранения кислорода из стеклянной колбы, в которой размещена нить накаливания., поскольку раскаленная нить накаливания в кислородной среде быстро перегорала. Как известно, процесс окисления, это и есть процесс сгорания. Затем были разработаны методы вакуумирования или замещения имеющихся в колбе лампы газов инертными газами, которые не вступают в реакцию ни с какими веществами.
Процесс разработки и совершенствования ламп накаливания был довольно долог и разнообразен. Ниже приведены лишь некоторые его этапы.
1809 год. Француз Жерар Деларю изобрел лампочку с нитью из платины. Нить была в виде спирали. Но затраты были слишком высокими а срок службы лампы короток.
1839 год. Бельгиец Жабар придумал угольную нить накаливания.
1854 год. Немецкий ученый Генрих Гебель создал сосуд с элементом накаливания в виде обугленного бамбука в вакуумированной колбе.
1860 год. Английский исследователь Джозем Суон предложил свои разработки, Но они работали мало эффективно и недолго..Его заслуга в снижении количества содержания кислорода в колбе.
1874 год Лодыгин А.Н. Получил патент на лампу накаливания в виде стеклянной колбы, в которой на двух медных стержнях был укреплен стержень из ретортного угля диаметром 2мм. Срок службы составлял 40 минут. В дальнейшем, при удалении из колбы воздуха, срок службы был доведен до 700 часов и более
1880 год. Томас Эдисон и Джозеф Уилтон внесли значительные изменения в лампу Лодыгина и довели срок службы до1200 часов.
1882 год Нью-Йорк стал первым в мире городом, получившем полное электроосвещение с помощью лампочки Эдисона.
!890 год Лодыгин заменил нить накаливания на вольфрамовую, с температурой плавления 3410 градусов.
Дальнейшее развитие электрофикации.
Основными элементами электрооборудования можно представить, разобранные выше элементы: генераторы, электродвигатели и нагревательные приборы, к которым относятся осветительные лампы. Последним было уделено особое внимание.
Электроэнергетика имеет свою особенность, отличающую ее от остальных видов промышленности тем, что в ней происходит процесс неразрывной связи между выработкой и потреблением электроэнергии. Генераторы могут вырабатывать ровно столько энергии, сколько берет потребитель, то- есть они не могут работать на склад. Хотя существуют и разрабатываются новые системы аккумулирования электроэнергии, но сегодня они еще незначительны.
Ранее была написана статья «Звездные часы электроэнергетики», в которой разъясняется, что применение электричества позволило размещать источник энергии или генерирующее оборудование практически на любом расстоянии от места ее потребления. ( в отличие от существующих прежде механизмов — рука весло, плотина мельница, паровая машина станок и т.д.) И вот здесь появляется еще один необходимый в электрохозяйстве элемент — линии связи между генераторами и потребителями. Это линии электропередачи.
С ростом электропотребления, и увеличения удаленности потребителей электроэнергии, для обеспечения необходимой пропускной способности, требовалось увеличивать сечение проводов линий электропередачи до нереальной величины.
Передаваемая мощность равна произведению тока на напряжение. Поскольку величина тока была ограничена реально выпускаемыми промышленностью проводами ( или жилами кабеля), то было решено повышать напряжение линий электропередачи с соответствующим усилением изоляции.
Таким образом схема электроснабжения должна выполняться следующим образом.
Генератор вырабатывает электроэнергию на , соответствующем ему напряжении. Затем это напряжение должно быть повышено для экономичной передачи электроэнергии по линии электропередачи. В конце линии, напряжение опять понижается до величины соответствующей оборудованию потребителя. Для обеспечения указанной схемы и были разработаны установки, которые могли увеличивать и понижать напряжение, или трансформаторы, которые стали одним из основных элементов электрической сети..
История изобретения трансформатора.
Первым автором изобретения трансформатора следует назвать известного английского физика Майкла Фарадея. Он открыл явление индукции, заключающееся в возникновении электрического тока в катушке, находящейся в изменяющемся магнитном поле. Изначальное меняющееся магнитное поле исходило от другой катушки, не имеющей никакой электрической связи с рассматриваемой катушкой. Обе катушки были связаны между собой только магнитным полем. Это явление и было положено в создание трансформатора
Следующей ступенью к современному трансформатору была катушка Румкорфа -1851 год. На этой катушке было намотано две обмотке. На первой обмотке было небольшое количество витков — от 10 до 100. В цепь этой катушки включен прерыватель, связанный с магнитным сердечником. Этот прерыватель превращает постоянный ток источника в пульсирующий. Соответственно и магнитный поток в сердечнике пульсирует и во второй многовитковой обмотке (до 1000 и более витков) индуктируется напряжение, которое, в зависимости от количества витков может достигать достаточно высоких величин 1000 и более вольт.
Катушка Румкорфа использовалась для рентгеновских аппаратов, для исследования разрядов в воздухе между шаровыми электродами и излучаемыми при этом волнами в опытах Герца, а также в других устройствах
1876 год Русский инженер Яблочков получил патент на трансформатор, для разработанный им осветительной лампы.
1884 год. Английские инженеры Джон и Эдуард Гопкинс создали трансформатор с замкнутым железным сердечником, соответствующий сегодняшней конструкции.
Таким образом была подготовлены все требуемые элементы и осуществлена современная схема электроснабжения, состоящая из генератора, повышающего напряжение трансформатора, линия электропередачи до потребителя, понижающий напряжение трансформатор и далее распределительная сеть питающая потребителей.
Это лишь предельно упрощенная схема электроснабжения. Осуществление реальной схемы в жизнь потребовало бесконечного количества технических разработок для каждого элемента, Только одно перечисление этих этих элементов представляет большой труд, где каждый элемент заслуживает отдельных многообъемных описаний.
По мере развития науки и техники получили развитие не менее важные, а может быть даже более важные области - использование электричества для отличных от энергетики областей науки практики были радиотехнические установки, устройства автоматизации, тяговые сооружения и многое другое, вплоть до современных ЭВМ.. Перечислять их нет смысла — проще сказать, что сейчас нет области, в которой не используется электричество.