Adăugați site-ul la marcaje

Istoria energiei electrice

Electricitatea, un set de fenomene cauzate de existența, mișcarea și interacțiunea unor corpuri sau particule încărcate electric. Interacțiunea sarcinilor electrice se realizează cu ajutorul electro camp magnetic(în cazul sarcinilor electrice imobile - un câmp electrostatic).

Sarcinile în mișcare (curent electric), împreună cu una electrică, excită și un câmp magnetic, adică generează un câmp electromagnetic prin care se realizează interacțiunea electromagnetică (doctrina magnetismului este o parte integrantă a doctrinei generale a electricității) . Fenomenele electromagnetice sunt descrise de electrodinamica clasică, care se bazează pe ecuațiile Maxwell

Legile teoriei clasice a electricității acoperă un set imens de procese electromagnetice. Dintre cele 4 tipuri de interacțiuni (electromagnetice, gravitaționale, puternice și slabe) care există în natură, electromagnetice ocupă primul loc în ceea ce privește amploarea și varietatea manifestărilor. Acest lucru se datorează faptului că toate corpurile sunt construite din particule încărcate electric de semne opuse, interacțiunile dintre care, pe de o parte, sunt multe ordine de mărime mai intense decât cele gravitaționale și slabe și, pe de altă parte, sunt pe distanță lungă, spre deosebire de interacțiunile puternice. Structura învelișurilor atomice, aderența atomilor în molecule (forțe chimice) și formarea materiei condensate sunt determinate de interacțiunea electromagnetică.

Cele mai simple fenomene electrice și magnetice sunt cunoscute din cele mai vechi timpuri. S-au descoperit minerale care atrag bucăți de fier și s-a constatat, de asemenea, că chihlimbarul (electron grecesc, elektron, de unde și termenul de electricitate), frecat pe lână, atrage obiectele ușoare (electrificare prin frecare). Cu toate acestea, abia în 1600 W. Gilbert a stabilit pentru prima dată distincția dintre fenomenele electrice și magnetice. El a descoperit existența polilor magnetici și inseparabilitatea lor unul de celălalt și, de asemenea, a stabilit că globul este un magnet gigant.

În secolele XVII - I-a jumătate a secolului XVIII. s-au efectuat numeroase experimente cu corpuri electrificate, s-au construit primele mașini electrostatice bazate pe electrificarea prin frecare, s-a stabilit existența sarcinilor electrice de două feluri (C. Dufay), s-a descoperit conductivitatea electrică a metalelor (omul de știință englez S. . Gri). Odată cu inventarea primului condensator - Borcanul Leiden(1745) - a devenit posibilă acumularea unor sarcini electrice mari. În 1747-53, Franklin a prezentat prima teorie consistentă a fenomenelor electrice, a stabilit în cele din urmă natura electrică a fulgerului și a inventat paratrăsnetul.

În a 2-a jumătate a secolului al XVIII-lea. a început studiul cantitativ al fenomenelor electrice şi magnetice. Primul instrumente de masura- electroscoape de diferite modele, electrometre. G. Cavendish (1773) și S. Coulomb (1785) au stabilit experimental legea interacțiunii sarcinilor electrice punctuale nemișcate (lucrările lui Cavendish au fost publicate abia în 1879).

Această lege de bază a electrostaticii (legea lui Coulomb) a făcut pentru prima dată posibilă crearea unei metode de măsurare a sarcinilor electrice prin forțele de interacțiune dintre ele. Coulomb a stabilit, de asemenea, legea interacțiunii dintre polii magneților lungi și a introdus conceptul de sarcini magnetice concentrate la capetele magneților.

Următoarea etapă în dezvoltarea științei electricității este asociată cu descoperirea de la sfârșitul secolului al XVIII-lea. L. Galvani „electricitate animală” și lucrări A. Volta care a inventat prima sursă curent electric- o celulă galvanică (așa-numita coloană de volți, 1800), care creează un curent continuu (constant) pentru o perioadă lungă de timp. În 1802, V.V. Petrov, după ce a construit o celulă galvanică de o putere mult mai mare, a descoperit arcul electric, a investigat proprietățile acestuia și a subliniat posibilitatea utilizării acestuia pentru iluminat, precum și pentru topirea și sudarea metalelor. G. Davy prin electroliză solutii apoase alcalii au primit (1807) metale necunoscute anterior - sodiu și potasiu. J, P. Joule a stabilit (1841) că cantitatea de căldură degajată în conductor de curent electric este proporțională cu pătratul puterii curentului; această lege a fost fundamentată (1842) de experimentele exacte ale lui E.H. Lenz (legea Joule-Lenz).

G. Ohm a stabilit (1826) dependenţa cantitativă a curentului electric de tensiunea din circuit. KF Gauss a formulat (1830) teorema fundamentală a electrostaticii.

Cea mai fundamentală descoperire a fost făcută de H. Oersted în 1820; a descoperit acțiunea unui curent electric asupra unui ac magnetic – fenomen care a mărturisit legătura dintre electricitate și magnetism. În continuare, în același an, A.M.Ampere a stabilit legea interacțiunii curenților electrici (legea lui Ampere). El a mai arătat că proprietățile magneților permanenți pot fi explicate pe baza ipotezei că în moleculele corpurilor magnetizate circulă curenți electrici constanți (curenți moleculari). Astfel, conform lui Ampère, toate fenomenele magnetice sunt reduse la interacțiuni ale curenților, în timp ce sarcinile magnetice nu există. De la descoperirile lui Oersted și Ampère, doctrina magnetismului a devenit o parte integrantă a doctrinei electricității.

Din al 2-lea sfert al secolului al XIX-lea. a început pătrunderea rapidă a energiei electrice în tehnologie. În anii 20. au apărut primii electromagneţi. Una dintre primele utilizări ale energiei electrice a fost aparatul telegrafic, în anii 30-40. au fost construite motoare electrice și generatoare de curent;

În anii 30-40. secolul al 19-lea M. Faraday, creatorul doctrinei generale a fenomenelor electromagnetice, în care toate fenomenele electrice și magnetice sunt considerate dintr-un singur punct de vedere, a adus o mare contribuție la dezvoltarea științei electricității. Cu ajutorul experimentelor, el a dovedit că efectele sarcinilor electrice și ale curenților nu depind de metoda de producere a acestora [înainte de Faraday, se distingeau între „obișnuit” (obținut prin electrificare prin frecare), atmosferic, „galvanic”, magnetic. , termoelectrică, „animală” și alte tipuri de energie electrică. ].

Experimentul Arago („magnetismul rotației”).

În 1831, Faraday a descoperit inducția electromagnetică - excitarea unui curent electric într-un circuit situat într-un câmp magnetic alternativ. Acest fenomen (observat în 1832 tot de J. Henry) formează fundamentul ingineriei electrice. În 1833-34 Faraday a stabilit legile electrolizei; aceste lucrări ale sale au pus bazele electrochimiei. Mai târziu, încercând să găsească relația dintre fenomenele electrice și magnetice cu cele optice, a descoperit polarizarea dielectricilor (1837), fenomenele de paramagnetism și diamagnetism (1845), rotația magnetică a planului de polarizare a luminii (1845), etc.

Faraday a introdus pentru prima dată conceptul de câmpuri electrice și magnetice. El a negat conceptul de acțiune pe distanță lungă, ai cărui susținători credeau că corpurile direct (prin vid) la distanță acționează unul asupra celuilalt.

Conform ideilor lui Faraday, interacțiunea dintre sarcini și curenți se realizează prin agenți intermediari: sarcinile și curenții creează câmpuri electrice sau (respectiv) magnetice în spațiul înconjurător, cu ajutorul cărora interacțiunea se transmite din punct în punct (conceptul de acţiune pe rază scurtă de acţiune). Ideile sale despre câmpurile electrice și magnetice s-au bazat pe conceptul liniilor de forță, pe care le considera formațiuni mecanice într-un mediu ipotetic - eter, asemănător firelor sau corzilor elastice întinse.

Ideile lui Faraday despre realitatea câmpului electromagnetic nu au fost imediat recunoscute. Prima formulare matematică a legilor inducției electromagnetice a fost dată de F. Neumann în 1845 în limbajul conceptului de acțiune pe distanță lungă.

El a introdus, de asemenea, concepte importante ale coeficienților de inducție de sine și reciprocă a curenților. Sensul acestor concepte a fost dezvăluit pe deplin mai târziu, când W. Thomson (Lord Kelvin) a dezvoltat (1853) teoria oscilațiilor electrice într-un circuit format dintr-un condensator (capacitate) și o bobină (inductanță).
De mare importanță pentru dezvoltarea doctrinei electricității a fost crearea de noi instrumente și metode. măsurători electrice, precum și un sistem unificat de unități de măsură electrice și magnetice, creat de Gauss și W. Weber.

În 1846, Weber a subliniat legătura dintre puterea curentului și densitatea sarcinilor electrice într-un conductor și viteza mișcării lor ordonate. El a stabilit, de asemenea, legea interacțiunii sarcinilor punctiforme în mișcare, care conținea o nouă constantă electrodinamică universală, care este raportul unităților electrostatice și electromagnetice de sarcină și are dimensiunea vitezei.

În determinarea experimentală (Weber şi f. Kohlrausch, 1856) a acestei constante s-a obţinut o valoare apropiată de viteza luminii; acesta a fost un indiciu cert al conexiunii dintre fenomenele electromagnetice și cele optice.

În 1861-73, doctrina electricității a fost dezvoltată și completată în lucrările lui J. K. Maxwell. Pe baza legilor empirice ale fenomenelor electromagnetice și introducând ipoteza generării unui câmp magnetic de către un câmp electric alternativ, Maxwell a formulat ecuațiile fundamentale ale electrodinamicii clasice, numite după el. În același timp, ca și Faraday, el a considerat fenomenele electromagnetice ca o formă de procese mecanice în eter.

Principala nouă consecință a acestor ecuații este existența undelor electromagnetice care se propagă cu viteza luminii. Ecuațiile lui Maxwell au stat la baza teoriei electromagnetice a luminii. Confirmarea decisivă a teoriei lui Maxwell a fost găsită în 1886-89, când G. Hertz a stabilit experimental existența undelor electromagnetice. După descoperirea sa, s-au încercat stabilirea comunicării cu ajutorul undelor electromagnetice, culminând cu crearea radioului, iar cercetările intensive au început în domeniul ingineriei radio.

La sfârșitul secolului XIX - începutul secolului XX. a început o nouă etapă în dezvoltarea teoriei electricității. Cercetările privind descărcările electrice au culminat cu descoperirea de către J. J. Thomson a discretității sarcinilor electrice. În 1897 a măsurat raportul dintre sarcina electronului și masa sa, iar în 1898 a determinat valoarea absolută a sarcinii electronului. H. Lorentz, bazându-se pe descoperirea lui Thomson și pe concluziile teoriei molecular-cinetice, a pus bazele teoriei electronice a structurii materiei. În teoria electronilor clasice, materia este considerată o colecție de particule încărcate electric a căror mișcare este supusă legilor mecanicii clasice. Ecuațiile lui Maxwell sunt obținute din ecuațiile teoriei electronilor prin mediere statistică.

Încercările de a aplica legile electrodinamicii clasice la studiul proceselor electromagnetice în mediile în mișcare au întâmpinat dificultăți semnificative. În efortul de a le rezolva, A. Einstein a ajuns (1905) la relativitatea teoriei. Această teorie a respins în cele din urmă ideea existenței unui eter înzestrat cu proprietăți mecanice. După crearea teoriei relativității, a devenit evident că legile electrodinamicii nu pot fi reduse la legile mecanicii clasice.

La intervale spatio-timp mici, proprietatile cuantice ale campului electromagnetic, care nu sunt luate in considerare de teoria clasica a electricitatii, devin semnificative. Teoria cuantică a proceselor electromagnetice - electrodinamica cuantică - a fost creată în al 2-lea sfert al secolului XX. Teoria cuantică a materiei și câmpului depășește deja doctrina electricității, studiază probleme mai fundamentale referitoare la legile mișcării particule elementareși clădirile lor.

Odată cu descoperirea de noi fapte și crearea de noi teorii, semnificația doctrinei clasice a electricității nu a scăzut, au fost determinate doar limitele de aplicabilitate ale electrodinamicii clasice. În aceste limite, ecuațiile lui Maxwell și teoria clasică a electronilor rămân valabile, constituind fundamentul teoriei moderne a electricității.

Electrodinamica clasică formează baza majorității secțiunilor de inginerie electrică, inginerie radio, electronică și optică (cu excepția electronicii cuantice). Cu ajutorul ecuațiilor ei au fost rezolvate un număr imens de probleme de natură teoretică și aplicativă. În special, numeroase probleme ale comportamentului plasmei în laborator și în spațiu sunt rezolvate folosind ecuațiile lui Maxwell.

INTRODUCERE

Să începem povestea noastră cu cuvintele lui Tesla însuși, care cu puțin timp înainte de moartea sa a scris un minunat eseu despre istoria ingineriei electrice „Povestea electricității”: „Cine vrea cu adevărat să-și amintească toată măreția timpului nostru, trebuie să se familiarizeze. cu istoria științei electricității”.

Pentru prima dată, fenomenele numite acum electrice au fost observate în China antică, India, iar mai târziu în Grecia antică. Legendele supraviețuitoare spun că filozoful grec antic Thales din Milet (640-550 î.Hr.) cunoștea deja proprietatea chihlimbarului, frecat cu blană sau lână, de a atrage resturi de hârtie, puf și alte corpuri ușoare. De la numele grecesc pentru chihlimbar - „electron” - acest fenomen a primit mai târziu numele de electrificare.

Timp de multe secole, fenomenele electrice au fost considerate manifestări ale puterii divine, până în secolul al XVII-lea. oamenii de știință nu s-au apropiat de studiul electricității. Pendant, Gilbert, Otto von Guericke, Mushenbreck, Franklin, Oersted, Arago, Lomonosov, Luigi Galvani, Alessandro Volta - asta e departe de lista plina electricieni. Mențiune specială trebuie făcută pentru activitățile remarcabilului om de știință André Marie Ampère, care a pus bazele studiului. actiuni dinamice curent electric și a stabilit o serie de legi ale electrodinamicii.

Descoperirile lui Oersted, Arago, Ampère l-au interesat pe genialul fizician englez Michael Faraday și l-au determinat să studieze întreaga gamă de întrebări despre transformarea energiei electrice și magnetice în energie mecanică. Un alt fizician englez James Clerk (Clark) Maxwell a publicat în 1873 o lucrare majoră în două volume „Tratat de electricitate și magnetism”, care combina conceptele de electricitate, magnetism și câmp electromagnetic. Din acel moment a început epoca utilizării active energie electricaîn Viata de zi cu zi.

1. ELECTRICITATE

Electricitatea este un concept care exprimă proprietăți și fenomene datorate structurii corpurilor și proceselor fizice, a căror esență este mișcarea și interacțiunea particulelor microscopice de materie (electroni, ioni, molecule, complexele acestora etc.).

Gilbert a descoperit pentru prima dată că proprietățile electrificării sunt inerente nu numai chihlimbarului, ci și diamantului, sulfului și rășinii. De asemenea, a observat că unele corpuri, precum metalele, pietrele, oasele, nu se electrizează și a împărțit toate corpurile găsite în natură, electrificate și neelectrificate. Acordând o atenție deosebită primei, el a făcut experimente pentru a le studia proprietățile.

În 1650, faimosul om de știință german, primarul orașului Magdeburg, inventatorul pompei de aer, Otto von Guericke, a construit un " mașină electrică„, reprezentând o minge de sulf de mărimea unui cap de copil, montată pe un ax.

Figura 1 - Mașina electrică a lui Von Guericke, îmbunătățită de Van de Graaf

Dacă, în timpul rotației mingii, aceasta a fost frecată cu palmele mâinilor, aceasta a dobândit în curând proprietatea de a atrage și respinge corpurile ușoare. Pe parcursul mai multor secole, mașina lui Guericke a fost îmbunătățită semnificativ de englezul Hawksby, de oamenii de știință germani Bose, Winkler și alții. Experimentele cu aceste mașini au condus la o serie de descoperiri importante:

· în 1707, fizicianul francez du Fey a descoperit diferența dintre electricitatea obținută din frecarea unei bile de sticlă și cea obținută din frecarea unei răsuciri de rășină de copac;

· În 1729, englezii Gray și Wheeler au descoperit capacitatea unor corpuri de a conduce electricitatea și au subliniat pentru prima dată că toate corpurile pot fi împărțite în conductori și neconductori de electricitate.

Dar mult mai mult descoperire importantă a fost descrisă în 1729 de Mushenbreck, profesor de matematică și filozofie în orașul Leiden. El a descoperit că un borcan de sticlă, lipit pe ambele părți cu folie de tablă (foi de oțel), era capabil să acumuleze electricitate. Încărcat cu un anumit potențial (conceptul căruia a apărut mult mai târziu), acest dispozitiv putea fi descărcat cu un efect semnificativ - o scânteie mare care producea un trosnet puternic, asemănător fulgerului și avea actiuni fiziologice când mâinile ating căptușeala borcanului. De la numele orașului în care au fost efectuate experimentele, dispozitivul creat de Mushenbreck a fost numit borcanul Leyden.

Figura 2 - Borcanul Leiden. Conexiune în paralel patru conserve

Studiile proprietăților sale au fost efectuate în diferite țări și au determinat apariția multor teorii care au încercat să explice fenomenul descoperit de condensare a sarcinii. Una dintre teoriile acestui fenomen a fost dată de remarcabilul om de știință american și personalitate publică Benjamin Franklin, care a subliniat existența electricității pozitive și negative. Din punctul de vedere al acestei teorii, Franklin a explicat procesul de încărcare și descărcare a unui borcan Leyden și a demonstrat că plăcile sale pot fi electrificate în mod arbitrar de sarcini electrice de diferite semne.

Franklin, ca și oamenii de știință ruși M. V. Lomonosov și G. Richman, a acordat multă atenție studiului electricității atmosferice, a descărcării fulgerelor (fulgerului). După cum știți, Richman a murit făcând un experiment privind studiul fulgerului. În 1752, Benjamin Franklin a inventat paratrăsnetul. Paratrăsnet (în viața de zi cu zi se folosește și „paratrăsnetul” mai eufonios) - un dispozitiv instalat pe clădiri și structuri și care servește la protejarea împotriva loviturilor de trăsnet. Este format din trei părți interconectate:

În 1785, S. Coulomb a descoperit legea de bază a electrostaticii. Pe baza a numeroase experimente, Coulomb a stabilit următoarea lege:

Forța de interacțiune a sarcinilor staționare în vid este direct proporțională cu produsul modulelor de sarcină și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele - ,:

În 1799, a fost creată prima sursă de curent electric - o celulă galvanică și o baterie de celule. Celulă galvanică (sursă de curent chimic) - un dispozitiv care vă permite să convertiți energia reactie chimicaîn munca Electrica. Conform principiului de funcționare, se disting celulele primare (o singură dată), secundare (baterii) și pile de combustibil. Celula galvanică este formată dintr-un electrolit conducător de ioni și doi electrozi diferiți (semi-celule), procesele de oxidare și reducere din celula galvanică sunt separate spațial. Polul pozitiv al unei celule galvanice se numește catod, negativ - anod. Electronii ies din celulă prin anod și călătoresc într-un circuit extern către catod.

Lucrările academicienilor ruși Aepinus, Kraft și alții au relevat o serie de proprietăți foarte importante ale sarcinii electrice, dar toți au studiat electricitatea în stare staționară sau descărcarea ei instantanee, adică proprietățile electricității statice. Mișcarea lui s-a manifestat doar sub forma unei scurgeri. Nu se știa încă nimic despre curentul electric, adică despre mișcarea continuă a electricității.

Unul dintre primii care a investigat în profunzime proprietățile curentului electric în 1801-1802 a fost academicianul din Sankt Petersburg V.V. Petrov. Munca acestui om de știință remarcabil, care a construit cea mai mare baterie din lume în acei ani din 4200 de cercuri de cupru și zinc, a stabilit posibilitatea utilizării practice a curentului electric pentru a încălzi conductorii. În plus, Petrov a observat fenomenul unei descărcări electrice între capetele cărbunilor ușor diluați atât în ​​aer, cât și în alte gaze și vid, care a fost numit arc electric. V. V. Petrov nu numai că a descris fenomenul pe care l-a descoperit, dar a subliniat și posibilitatea utilizării acestuia pentru iluminarea sau topirea metalelor și, prin urmare, a exprimat pentru prima dată ideea de aplicație practică curent electric. Din acest moment ar trebui să înceapă istoria ingineriei electrice ca ramură independentă a tehnologiei.

Experimentele cu curentul electric au atras atenția multor oameni de știință din diferite țări. În 1802, omul de știință italian Romagnosi a descoperit deviația unui ac magnetic sub influența unui curent electric care trece printr-un conductor din apropiere. La sfârșitul anului 1819, acest fenomen a fost observat din nou de fizicianul danez Oersted, care în martie 1820 a publicat un pamflet în latină intitulat „Experimente privind acțiunea conflictului electric asupra unui ac magnetic”. În această lucrare, un curent electric a fost numit „conflict electric”.

De îndată ce Arago a demonstrat experiența lui Oersted la o reuniune a Academiei de Științe din Paris, Ampère, repetând-o, la 18 septembrie 1820, exact o săptămână mai târziu, a înaintat academiei un raport despre cercetările sale. La următoarea întâlnire, pe 25 septembrie, Ampère a terminat de citit un raport în care a conturat legile interacțiunii a doi curenți care circulă prin conductori paraleli. Din acel moment, academia a ascultat săptămânal noile rapoarte ale lui Ampère despre experimentele sale, care au completat descoperirea și formularea legilor de bază ale electrodinamicii.

Unul dintre cele mai importante merite ale lui Ampère a fost că a fost primul care a combinat două fenomene separate anterior - electricitatea și magnetismul - într-o singură teorie a electromagnetismului și a propus să le considere rezultatul unui singur proces al naturii. Această teorie, întâlnită cu mare neîncredere de către contemporanii lui Ampère, a fost foarte progresivă și a jucat un rol uriaș în înțelegerea corectă a fenomenelor descoperite mai târziu.

În 1827, omul de știință german Georg Ohm a descoperit una dintre legile fundamentale ale electricității, care stabilește principalele relații între puterea curentului, tensiunea și rezistența circuitului prin care circulă curentul electric, , ,

În 1847, Kirchhoff a formulat legile pentru desfășurarea curenților în circuite complexe, , , :

Prima lege a lui Kirchhoff

Se aplică nodurilor și se formulează astfel: suma algebrică a curenților din nod este egală cu zero. Semnele sunt determinate în funcție de dacă curentul este direcționat către nod sau departe de acesta (în orice caz, în mod arbitrar).

A doua lege a lui Kirchhoff

Se aplică circuitelor: în orice circuit, suma tensiunilor de pe toate elementele și secțiunile circuitului incluse în acest circuit este egală cu zero. Direcția de ocolire a fiecărui contur poate fi aleasă în mod arbitrar. Semnele sunt determinate în funcție de coincidența tensiunilor cu direcția de bypass.

A doua formulare: în orice circuit închis, suma algebrică a tensiunilor din toate secțiunile cu rezistențe incluse în acest circuit este egală cu suma algebrică a FEM.

Generalizarea legilor lui Kirchhoff

Fie Y numărul de noduri de lanț, B numărul de ramuri, K numărul de circuite.

Figura 3 - Circuit electric ramificat liniar (U=3, V=5, K=6)

2. MAGNETISM (MANETISM)

Magnetism- este o formă de interacțiune între sarcini electrice în mișcare efectuate la distanță prin intermediul unui câmp magnetic.

Un câmp magnetic este un tip special de materie, a cărui caracteristică specifică este acțiunea asupra unei sarcini electrice în mișcare, conductoare purtătoare de curent, corpuri cu un moment magnetic, cu o forță care depinde de vectorul viteză a sarcinii, de direcția curentului. rezistenţă în conductor şi pe direcţie moment magnetic corp .

Un magnet permanent este un produs realizat dintr-un material magnetic dur, o sursă autonomă a unui câmp magnetic constant.
magneti [gr. magnetis, din Magnetis Lithos, o piatră din Magnezia ( oraș anticîn Asia Mică)] sunt naturale și artificiale. Un magnet natural este o bucată de minereu de fier, care are capacitatea de a atrage obiecte mici de fier care se află în apropiere.

Magneții naturali giganți sunt Pământul și alte planete (Magnitosfera), deoarece au un câmp magnetic. Magneții artificiali sunt obiecte și produse care au primit proprietăți magnetice ca urmare a contactului cu un magnet natural sau magnetizate într-un câmp magnetic. Un magnet permanent este un magnet artificial.

În cele mai simple cazuri, un magnet permanent este un corp (sub formă de potcoavă, bandă, șaibă, tijă etc.) care a suferit un tratament termic corespunzător și este premagnetizat până la saturație.

Figura 4 - Tipuri de magneți: a) potcoavă; b) bandă; c) circulară

Un magnet permanent este de obicei inclus ca parte integrantă într-un sistem magnetic conceput pentru a forma un câmp magnetic. Puterea câmpului magnetic generat de un magnet permanent poate fi fie constantă, fie reglabilă.
Diferite părți ale unui magnet permanent atrag obiecte de fier în moduri diferite. Capetele magnetului, unde atracția este maximă, se numesc polii magnetului, iar partea din mijloc, unde atracția este practic absentă, se numește zona neutră a magnetului. Magneții artificiali sub formă de bandă sau potcoavă au întotdeauna doi poli la capetele benzii și o zonă neutră între ei. Este posibil să magnetizezi o bucată de oțel în așa fel încât să aibă 4, 6 sau mai mulți poli despărțiți de zone neutre, în timp ce numărul de poli rămâne întotdeauna egal. Este imposibil să obțineți un magnet cu un singur pol. Raportul dintre dimensiunile regiunilor polilor și zona neutră a unui magnet depinde de forma acestuia.

Un magnet solitar sub forma unei tije lungi și subțiri se numește ac magnetic. Capătul unui ac magnetic ascuțit sau suspendat - busolă simplă, indică nordul geografic al Pământului și se numește polul nord (N) al magnetului, polul opus al magnetului, indică spre sud și se numește polul sud (S).
Domeniile de aplicare a magneților permanenți sunt foarte diverse. Sunt utilizate în motoare electrice, în automatizare, robotică, pentru cuplaje magnetice ale rulmenților magnetici, în industria ceasurilor, în aparate electrocasnice, ca surse autonome ale unui câmp magnetic constant în inginerie electrică și inginerie radio.

Circuitele magnetice, inclusiv magneții permanenți, trebuie să fie deschise, adică să aibă un spațiu de aer. Dacă un magnet permanent este realizat sub forma unui miez inelar, atunci practic nu emite energie în spațiul exterior, deoarece aproape toate magnetice linii de forțăînchis în ea. În acest caz, câmpul magnetic din afara miezului este practic absent. Pentru a utiliza energia magnetică a magneților permanenți, este necesar să se creeze un spațiu de aer de o anumită dimensiune într-un circuit magnetic închis.

Când un magnet permanent este folosit pentru a crea flux magnetic într-un spațiu de aer, cum ar fi între polii unui magnet de potcoavă, spațiul de aer reduce inducția (și magnetizarea) magnetului permanent.

3. ELECTROMAGNETISM

Interacțiunea electromagnetică este una dintre cele patru interacțiuni fundamentale. Interacțiunea electromagnetică există între particulele care au o sarcină electrică. Din punct de vedere modern, interacțiunea electromagnetică dintre particulele încărcate nu se realizează direct, ci doar prin câmpul electromagnetic.

Din punctul de vedere al teoriei câmpului cuantic, interacțiunea electromagnetică este purtată de un boson fără masă - un foton (o particulă care poate fi reprezentată ca o excitație cuantică a unui câmp electromagnetic). Fotonul în sine nu are o sarcină electrică, ceea ce înseamnă că nu poate interacționa direct cu alți fotoni.

Dintre particulele fundamentale, particulele cu sarcină electrică participă și ele la interacțiunea electromagnetică: quarcii, un electron, un muon și o particulă tau (din fermioni), precum și bosonii gauge încărcați.

Interacțiunea electromagnetică diferă de interacțiunile slabe și puternice prin natura sa lungă - forța de interacțiune între două sarcini scade doar ca a doua putere a distanței (vezi: legea lui Coulomb). Conform aceleiași legi, interacțiunea gravitațională scade cu distanța.

Interacțiunea electromagnetică a particulelor încărcate este mult mai puternică decât cea gravitațională, iar singurul motiv pentru care interacțiunea electromagnetică nu se manifestă cu mare forță la scară cosmică este neutralitatea electrică a materiei, adică prezența în fiecare regiune a Univers cu un grad ridicat de precizie a cantităților egale de sarcini pozitive și negative.

Câmp electromagnetic- aceasta este o formă specială de materie, prin care se realizează interacțiunea dintre particulele încărcate. Reprezintă variabile interdependente câmp electric și câmp magnetic. Legătura reciprocă a câmpurilor electrice E și magnetice H constă în faptul că orice modificare a unuia dintre ele duce la apariția celuilalt: un câmp electric alternant generat de sarcinile care se mișcă rapid (sursa) excită un câmp magnetic alternativ în regiunile adiacente. a spațiului, care, la rândul său, excită un câmp electric alternativ în regiunile adiacente ale spațiului etc. Astfel, câmpul electromagnetic se propagă din punct în punct în spațiu sub forma undelor electromagnetice care curg de la sursă. Datorită caracterului finit al vitezei de propagare, câmpul electromagnetic poate exista autonom față de sursa care l-a generat și nu dispare odată cu eliminarea sursei (de exemplu, undele radio nu dispar odată cu terminarea curentului în antena care le-a emis).

Câmpul electromagnetic în vid este descris de intensitatea câmpului electric E și de inducția magnetică B. Câmpul electromagnetic din mediu este caracterizat suplimentar de două mărimi auxiliare: intensitatea câmpului magnetic H și inducția electrică D. Legătura câmpului electromagnetic componentele cu sarcini și curenți este descrisă de ecuațiile lui Maxwell.

Undele electromagnetice sunt oscilații electromagnetice propagandu-se in spatiu cu o viteza finita in functie de proprietatile mediului (Figura 5).

Figura 5 - Unde electromagnetice

Existența undelor electromagnetice a fost prezisă de fizicianul englez M. Faraday în 1832. Un alt om de știință englez, J. Maxwell, a arătat în 1865 teoretic că oscilațiile electromagnetice nu rămân localizate în spațiu, ci se propagă în toate direcțiile de la sursă. Teoria lui Maxwell a făcut posibilă abordarea descrierii undelor radio, radiațiilor optice, radiațiilor X și radiațiilor gamma într-un mod unificat. S-a dovedit că toate aceste tipuri de radiații sunt unde electromagnetice cu lungimi de undă diferite λ, adică sunt legate în natură. Fiecare dintre ele își are locul său specific într-o singură scară de unde electromagnetice (Figura 6).

Figura 6 - Scara undelor electromagnetice

Propagandu-se in medii, undele electromagnetice, ca orice alte unde, pot experimenta refractie si reflexie la interfata dintre medii, dispersie, absorbtie, interferenta; la propagarea în medii neomogene, se observă difracția undelor, împrăștierea undelor și alte fenomene.

Undele electromagnetice din diferite game de lungimi de undă sunt caracterizate prin diferite moduri de excitare și înregistrare, interacționează diferit cu materia. Procesele de emisie și absorbție a undelor electromagnetice de la cele mai lungi la radiația IR sunt descrise destul de pe deplin de relațiile electrodinamicii clasice.

În intervalele de lungimi de undă mai scurte, în special în domeniul razelor X și razelor γ, procesele de natură cuantică domină și pot fi descrise doar în cadrul electrodinamicii cuantice bazate pe conceptul de discretitate a acestor procese.

Undele electromagnetice sunt utilizate pe scară largă în comunicațiile radio, radar, televiziune, medicină, biologie, fizică, astronomie și alte domenii ale științei și tehnologiei.

Descoperirile lui Oersted, Arago, Ampère l-au interesat pe genialul fizician englez Michael Faraday și l-au determinat să studieze întreaga gamă de întrebări despre transformarea energiei electrice și magnetice în energie mecanică. În 1821, a găsit o altă soluție la problema conversiei energiei electrice și magnetice în energie mecanică și și-a demonstrat dispozitivul, în care a obținut fenomenul de rotație electromagnetică continuă. În aceeași zi, Faraday a scris în jurnalul său de lucru problema inversă: „Transformă magnetismul în electricitate”. A fost nevoie de mai mult de zece ani pentru a o rezolva și a găsi o modalitate de a obține energie electrică din magnetic și mecanic. Abia la sfârșitul anului 1831, Faraday și-a anunțat descoperirea unui fenomen, care mai târziu a fost numit inducție electromagnetică și care formează baza întregii industrii moderne de energie electrică.

4. MAȘINI ELECTRICE

Studiul lui Faraday și munca academicianului rus E. X. Lenz, care a formulat legea prin care a fost posibilă determinarea direcției curentului electric rezultat din inducția electromagnetică, a făcut posibilă crearea primelor generatoare electromagnetice și motoare electrice.

Inițial, generatoarele electrice și motoarele electrice s-au dezvoltat independent unul de celălalt, ca două mașini complet diferite. Primul inventator al unui generator electric bazat pe principiul inducției electromagnetice a dorit să rămână anonim. S-a întâmplat așa. La scurt timp după publicarea raportului lui Faraday în Royal Society, care sublinia descoperirea inducției electromagnetice, omul de știință a găsit în cutia sa poștală o scrisoare semnată cu inițialele R. M. Conținea o descriere a primei prime din lume. generator sincronși desenul însoțitor. Faraday, după ce a examinat cu atenție acest proiect, a trimis o scrisoare lui R. M. și un desen aceluiași jurnal în care raportul său a fost publicat la un moment dat, în speranța că inventatorul necunoscut, în urma revistei, va vedea nu numai proiectul său publicat, ci și scrisoarea însoțitoare de la Faraday, care apreciază foarte mult invenția lui R. M-,,.

Într-adevăr, după aproape șase luni, R. M. a trimis explicații suplimentare și o descriere a designului generatorului electric propus de el, dar și de această dată a dorit să rămână anonim. Numele adevăratului creator al primului generator electromagnetic a rămas ascuns sub inițiale, iar omenirea încă, în ciuda căutării amănunțite a istoricilor ingineriei electrice, rămâne în întuneric căruia îi datorează una dintre cele mai importante invenții. Aparatul R. M. nu avea dispozitiv de redresare a curentului și era primul generator curent alternativ. Dar acest curent, se părea, nu putea fi folosit pentru iluminarea cu arc, electroliză, telegrafie, care erau deja ferm stabilite în viață. Era necesar, conform proiectanților de atunci, să se creeze o mașină în care să se poată obține un curent constant ca direcție și mărime.

Aproape simultan cu R. M., frații Pixie și profesorul de fizică de la Universitatea din Londra și membru al Societății Regale V. Ricci s-au angajat în proiectarea generatoarelor. Mașinile pe care le-au creat aveau un dispozitiv special pentru redresarea curentului alternativ în curent continuu - așa-numitul colector. Dezvoltarea în continuare a modelelor de generatoare curent continuu a procedat într-un ritm neobișnuit de rapid. În mai puțin de patruzeci de ani, dinamul a luat aproape complet forma unui generator de curent continuu modern. Adevărat, înfășurarea acestor dinamuri a fost distribuită neuniform în jurul circumferinței, ceea ce a înrăutățit funcționarea unor astfel de generatoare - tensiunea din ele fie a crescut, fie a scăzut, provocând șocuri neplăcute.

În 1870, Zenobaeus Gramm a propus o înfășurare specială, așa-numita inelară a armăturii dinamului. Distribuția uniformă a înfășurării armăturii a făcut posibilă obținerea unei tensiuni complet uniforme în generator și aceeași rotație a motorului, ceea ce a îmbunătățit semnificativ proprietățile mașinilor electrice. În esență, această invenție a repetat ceea ce fusese deja creat și descris în 1860 de către fizicianul italian Pachinnoti, dar a trecut neobservat și a rămas necunoscut lui 3. Gram. Mașinile cu armătură inelară au devenit deosebit de răspândite după ce reversibilitatea mașinilor electrice ale lui Gramm a fost descoperită la Expoziția Mondială de la Viena din 1873: aceeași mașină, atunci când armătura se învârtea, dădea curent electric, când curgea curent prin armătură, aceasta se învârtea și putea fi folosit ca motor electric.

Din acel moment, a început o creștere rapidă a utilizării motoarelor electrice și un consum în continuă expansiune de energie electrică, care a fost facilitată foarte mult de inventarea lui P. N. Yablochkov, o metodă de iluminare folosind așa-numita „lumânare Yablochkov” - o lampă electrică cu arc cu un aranjament paralel de cărbuni.

Simplitatea și comoditatea „lumânărilor lui Iablochkov”, care au înlocuit lămpile cu arc scumpe, complexe și voluminoase cu regulatoare pentru convergența continuă a cărbunilor aprinși, au determinat distribuția lor pe scară largă și, în curând, „lumina lui Yablochkov”, „rusă” sau „nordica”; a iluminat bulevardele Parisului, terasamentele Tamisa, bulevardele capitalei Rusiei și chiar orașele antice din Cambodgia. Acesta a fost un adevărat triumf pentru inventatorul rus.

Dar pentru a alimenta aceste lumânări cu energie electrică, a fost necesar să se creeze generatoare electrice speciale care să furnizeze nu curent direct, ci alternativ, adică curent, deși nu des, dar schimbându-și în mod continuu amploarea și direcția. Acest lucru a fost necesar deoarece cărbunii conectați la diferiți poli ai generatorului de curent continuu au ars neuniform - anodul conectat la pozitiv a ars de două ori mai repede decât catodul. Curentul alternativ a transformat alternativ anodul într-un catod și a asigurat astfel arderea uniformă a cărbunilor. În special pentru alimentarea „lumânărilor lui Yablochkov”, un generator de curent alternativ a fost creat de însuși P. N. Yablochkov și apoi îmbunătățit de inginerii francezi Lontin și Gram. Cu toate acestea, un motor AC nu a fost încă gândit.

În același timp, pentru alimentarea separată a lumânărilor individuale de la un generator de curent alternativ, inventatorul a creat un dispozitiv special - o bobină de inducție (transformator), care a făcut posibilă schimbarea tensiunii în orice ramură a circuitului în conformitate cu numărul de lumânări conectate. Curând, cererea în creștere de energie electrică și posibilitatea obținerii acesteia în cantități mari au intrat în conflict cu posibilitățile limitate de transmitere a acesteia la distanță. Tensiunea joasă (100-120 volți) a curentului continuu folosit la acea vreme și transmiterea acestuia prin fire de secțiune transversală relativ mică a provocat pierderi uriașe în liniile de transmisie. Încă de la sfârșitul anilor 70 ai secolului trecut, principala problemă, de soluția cu succes a căreia depindea întreg viitorul electrotehnicii, a fost problema transmiterii energiei electrice pe distanțe lungi fără pierderi mari.

Primul fundal teoretic posibilitatea de a transmite orice cantitate de energie electrică la orice distanță pe fire de diametru relativ mic fără pierderi semnificative prin creșterea tensiunii a fost dată de D. A. Lachinov, profesor de fizică la Institutul Silvic din Sankt Petersburg, în iulie 1880. În urma acesteia, fizicianul și inginerul electric francez Marcel Despres în 1882 la Expoziția Electrică de la München a efectuat transmiterea de energie electrică de câțiva cai putere pe o distanță de 57 de kilometri cu o eficiență de 38 la sută.

Ulterior, Despres a făcut o serie de experimente, efectuând transportul de energie electrică pe o distanță de o sută de kilometri și ducând puterea de transmisie la câteva sute de kilowați. O creștere suplimentară a distanței a necesitat o creștere semnificativă a tensiunii. Deprez a adus-o la 6 mii de volți și s-a asigurat că izolarea plăcilor din colectorul de generatoare și motoare de curent continuu nu permite atingerea unei tensiuni mai mari.

În ciuda tuturor acestor dificultăți, la începutul anilor 80, dezvoltarea industriei și concentrarea producției au cerut din ce în ce mai urgent crearea unui nou motor, mai avansat decât motorul cu abur răspândit. Era deja clar că era rentabil să construiești centrale electrice în apropierea zăcămintelor de cărbune sau pe râuri cu o picătură mare de apă, în timp ce se construiește fabrici mai aproape de sursele de materii prime. Acest lucru a necesitat adesea transmiterea unor cantități uriașe de energie electrică către obiectele de consum pe distanțe lungi. O astfel de transmisie ar fi oportună numai atunci când se aplică o tensiune de zeci de mii de volți. Dar a fost imposibil să se obțină o astfel de tensiune în generatoarele de curent continuu. Curentul alternativ și un transformator au venit în ajutor: folosindu-le, au început să producă curent alternativ de joasă tensiune, apoi să-l mărească la orice valoare necesară, să-l transmită la distanță. tensiune înaltă, iar la locul de consum, reduceți din nou la nivelul necesar și utilizați în pantografe.

Nu existau încă motoare AC. La urma urmei, deja la începutul anilor 80, electricitatea era consumată în principal pentru nevoile de energie. Motoare DC pentru a conduce cel mai mult diverse mașini folosit din ce în ce mai des. Crearea unui motor electric care ar putea funcționa pe curent alternativ a devenit sarcina principală a ingineriei electrice. În căutarea unor noi căi, este întotdeauna necesar să privim înapoi. A existat ceva în istoria ingineriei electrice care ar putea sugera calea spre crearea unui motor cu curent alternativ? Căutările din trecut au avut succes. Și-au amintit: în 1824, Arago a demonstrat o experiență care a marcat începutul multor studii fructuoase. Este o chestiune de demonstrare a „magnetismului de rotație”. Un disc de cupru (nu magnetic) a fost antrenat de un magnet rotativ.

Ideea a apărut, este posibil, prin înlocuirea discului cu spire înfășurate, și a magnetului rotativ cu un câmp magnetic rotativ, să se creeze un motor electric cu curent alternativ? Probabil, este posibil, dar cum să obțineți rotația câmpului magnetic?

În acești ani, mulți diferite căi Aplicații AC. Un istoric conștiincios al ingineriei electrice va trebui să numească diverșii fizicieni și ingineri care au încercat să creeze motoare cu curent alternativ la mijlocul anilor '80. Nu va uita să-și amintească experimentele lui Bailey (1879), Marcel Despres (1883), Bradley (1887), lucrările lui Wenstrom, Haselwander și mulți alții. Propunerile au fost, fără îndoială, foarte interesante, dar niciuna dintre ele nu a putut satisface industria: motoarele lor electrice erau fie voluminoase și neeconomice, fie complexe și nesigure. Însuși principiul construirii motoarelor de curent alternativ simple, economice și de încredere nu a fost încă găsit.

În această perioadă, Nikola Tesla a început, după cum știm deja, căutarea unei soluții la această problemă. El a mers pe drumul său, reflectând asupra esenței experienței lui Arago și a propus o soluție radicală a problemei care s-a dovedit imediat a fi acceptabilă în scopuri practice. Înapoi la Budapesta, în primăvara anului 1882, Tesla și-a imaginat clar că, dacă înfășurările polilor magnetici ai unui motor electric ar fi alimentate cumva de doi curenți alternativi diferiți, diferiți unul de celălalt doar prin defazare, atunci alternanța acestor curenți ar provoca formarea alternantă a polilor nord și sud sau câmp magnetic de rotație. Câmpul magnetic rotativ ar trebui să antreneze și înfășurarea rotorului mașinii.

După ce a construit o sursă specială de curent bifazat (generator bifazat) și același motor electric bifazat, Tesla și-a realizat ideea. Și deși mașinile sale erau foarte imperfecte din punct de vedere structural, principiul unui câmp magnetic rotativ, aplicat chiar în primele modele Tesla, s-a dovedit a fi corect.

Luând în considerare toate cazurile posibile de schimbare de fază, Tesla s-a stabilit pe o schimbare de 90 °, adică pe un curent cu două faze. Acest lucru a fost destul de logic - înainte de a crea motoare electrice cu un număr mare de faze, ar trebui să începem cu un curent cu două faze. Dar ar putea fi aplicată și o altă schimbare de fază: cu 120° ( curent trifazat). Fără să analizeze teoretic și să înțeleagă toate cazurile posibile, fără măcar să le compare între ele (aceasta este marea greșeală a lui Tesla), și-a concentrat toată atenția asupra curentului bifazat, creând generatoare bifazate și motoare electrice și a menționat doar pe scurt curenții polifazici. în cererile sale de brevet.şi posibilitatea aplicării acestora.

Dar Tesla nu a fost singurul om de știință care și-a amintit experiența lui Arago și a găsit o soluție la o problemă importantă. În aceiași ani, cercetări în domeniul curenților alternativi au fost efectuate de către fizicianul italian Galileo Ferraris, reprezentantul Italiei la numeroase congrese internaționale ale electricienilor (1881 și 1882 la Paris, 1883 la Viena și altele). Pregătind prelegeri despre optică, a venit la ideea posibilității de a înființa un experiment care să demonstreze proprietățile undelor luminoase. Pentru a face acest lucru, Ferraris a consolidat un cilindru de cupru pe un fir subțire, care a fost acționat de două câmpuri magnetice deplasate la un unghi de 90 °. Atunci când curentul este pornit în bobine, care creează alternativ câmpuri magnetice într-una sau alta dintre ele, cilindrul, sub influența acestor câmpuri, învârte și răsucește firul, în urma căruia se ridică cu o anumită cantitate. . Acest dispozitiv a simulat perfect fenomenul cunoscut sub numele de polarizarea luminii.

Ferraris nu a intenționat să-și folosească modelul în niciun scop electric. Era doar un instrument de prelegere, a cărui ingeniozitate constă în aplicarea pricepută a fenomenului electrodinamic pentru demonstrații în domeniul opticii.

Ferraris nu s-a limitat la acest model. În al doilea model, mai avansat, a reușit să realizeze rotirea cilindrului cu o viteză de până la 900 de rotații pe minut. Dar dincolo de anumite limite, oricât de mult a crescut puterea curentului care a creat câmpurile magnetice în circuit (cu alte cuvinte, oricât de mult a crescut puterea cheltuită), nu a fost posibil să se realizeze o creștere a numărului de revoluții. Calculele au arătat că puterea celui de-al doilea model nu a depășit 3 wați.

Fără îndoială, Ferraris, fiind nu doar un optician, ci și un electrician, nu a putut să nu înțeleagă semnificația experimentelor sale. Cu toate acestea, prin propria sa recunoaștere, nu i-a trecut niciodată prin cap să aplice acest principiu la crearea unui motor electric cu curent alternativ. Cel mai mult și-a imaginat a fost să-l folosească pentru a măsura puterea curentului și chiar a început să proiecteze un astfel de dispozitiv.

18 martie 1888 la Academia de Științe din Torino, Ferraris a făcut un raport „Rotația electrodinamică produsă de curenți alternativi”. În el, a vorbit despre experimentele sale și a încercat să demonstreze că este imposibil să se obțină o eficiență de peste 50 la sută într-un astfel de dispozitiv. Ferraris era sincer convins că, demonstrând inutilitatea utilizării câmpurilor magnetice alternative în scopuri practice, făcea un mare serviciu științei. Raportul lui Ferraris a fost înaintea raportului lui Nikola Tesla la Institutul American de Ingineri Electrici. Dar cererea depusă pentru un brevet încă din octombrie 1887 mărturisește prioritatea fără îndoială a Tesla față de Ferrari. În ceea ce privește publicarea, articolul lui Ferraris, disponibil pentru citire tuturor electricienilor din lume, a fost publicat abia în iunie 1888, adică după raportul larg cunoscut al lui Tesla.

La afirmația lui Ferraris că a început să studieze un câmp magnetic rotativ în 1885, Tesla avea toate motivele să obiecteze că s-a ocupat de această problemă la Graz, a găsit o soluție în 1882 și, în 1884, la Strasbourg, a demonstrat o soluție. modelul funcțional al motorului său, dar, desigur, nu este doar o chestiune de prioritate. Fără îndoială, ambii oameni de știință au făcut aceeași descoperire independent unul de celălalt: Ferraris nu ar fi putut să știe despre cererea de brevet Tesla, așa cum acesta din urmă nu ar fi putut ști despre munca fizicianului italian.

Este mult mai important că G. Ferraris, după ce a descoperit fenomenul unui câmp magnetic rotativ și și-a construit modelul cu o putere de 3 wați, nu s-a gândit la utilizarea lor practică. Mai mult decât atât, dacă concluzia eronată a lui Ferrari cu privire la inadecvarea utilizării curenților multifazici alternativi ar fi fost acceptată, atunci omenirea ar fi fost îndreptată pe o cale greșită încă câțiva ani și lipsită de posibilitatea utilizării pe scară largă a electricității în cele mai multe cazuri. diverse industrii producție și viață. Meritul lui Nikola Tesla constă în faptul că, în ciuda multor obstacole și a unei atitudini sceptice față de curentul alternativ, a dovedit practic fezabilitatea utilizării curentului polifazat. Primele motoare de curent cu două faze pe care le-a creat, deși prezentau o serie de neajunsuri, au atras atenția inginerilor electricieni din întreaga lume și au trezit interesul pentru propunerile sale.

Cu toate acestea, un articol al lui Galileo Ferraris din revista „Atti di Turino” a jucat un rol imens în dezvoltarea ingineriei electrice. A fost retipărit de o revistă engleză importantă, iar numărul cu acest articol a căzut în mâinile unui alt om de știință, recunoscut acum pe merit drept creatorul ingineriei electrice moderne trifazate.

5. Transformator Tesla

Transformatoarele Tesla sunt cunoscute pentru diferitele lor design-uri, de la cele mai simple cu eclator până la circuite moderne cu oscilatoare principale de înaltă frecvență. înfăşurare primară, realizat atât pe circuite semiconductoare cât și pe circuite de lămpi.

Schema celui mai simplu transformator Tesla:

În forma sa elementară, transformatorul Tesla este format din două bobine, primar și secundar și un cablaj format dintr-un eclator (întrerupător, se găsește adesea versiunea în limba engleză a Spark Gap), un condensator, un toroid (nu este întotdeauna utilizat) și un terminal (prezentat ca o „ieșire” în diagramă) .

Figura 7 - Cel mai simplu circuit Transformator Tesla

Figura 8 - Transformatorul Tesla în acțiune

Bobina primară este construită din 5-30 (pentru VTTC - bobina Tesla pe o lampă - numărul de spire poate fi de până la 60) spire de sârmă de diametru mare sau tub de cupru, și secundarul multor spire de sârmă de diametru mai mic. Bobina primară poate fi plată (orizontală), conică sau cilindrică (verticală). Spre deosebire de multe alte transformatoare, aici nu există miez feromagnetic. Astfel, inductanța reciprocă dintre cele două bobine este mult mai mică decât transformatoarele convenționale cu miez feromagnetic. De asemenea, acest transformator nu are practic nicio histerezis magnetic, fenomenul de întârziere în modificarea inducției magnetice în raport cu schimbarea curentului și alte dezavantaje introduse de prezența unui feromagnet în câmpul transformatorului.

Bobina primară, împreună cu condensatorul, formează un circuit oscilator, care include un element neliniar - un eclator de scânteie (eclator). Descărcătorul, în cel mai simplu caz, este unul obișnuit cu gaz; de obicei realizate din electrozi masivi (uneori cu radiatoare), care sunt realizate pentru o rezistență mai mare la uzură atunci când curenți mari trec printr-un arc electric între ei.

Bobina secundară formează, de asemenea, un circuit oscilator, unde cuplarea capacitivă dintre toroid, dispozitivul terminal, spirele bobinei în sine și alte elemente conductoare electric ale circuitului cu Pământul îndeplinește rolul unui condensator. Dispozitivul terminal (terminalul) poate fi realizat sub forma unui disc, un știft ascuțit sau o sferă. Terminalul este proiectat pentru a produce scântei lungi, previzibile. Geometria și poziția relativă a părților transformatorului Tesla afectează foarte mult performanța acestuia, care este similară cu problema proiectării oricăror dispozitive de înaltă tensiune și frecvență înaltă.

CONCLUZIE

Lucrurile care folosesc energie electrică care au devenit familiare în viața noastră de zi cu zi sunt roadele gândirii științifice și tehnice a multor generații de oameni de știință. Adesea, înțelegerea valorii practice și a semnificației fenomenelor descoperite a venit târziu sau a venit cu următoarea generație de oameni de știință.

Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că dezvoltarea ingineriei electrice a contribuit la accelerarea progresului tehnologic. Crearea și dezvoltarea mașinilor electrice de curent continuu și alternativ a făcut posibilă proiectarea unor sisteme de control flexibile, care nu au putut fi implementate pe motoarele care utilizează energia gazului și a lichidului. Dezvoltarea tehnologiei microprocesoarelor a făcut posibilă crearea unor computere puternice care participă la experimentele fizicienilor teoreticieni care descoperă secretele universului (LHC la CERN).

Sunt convingerea mea profundă că au mai rămas destul de multe mistere, mistere și mari descoperiri în domeniul ingineriei electrice.

BIBLIOGRAFIE

1. V.Z. Ozernikov „Accidente non-aleatorie. Povești despre mari descoperiri și oameni de știință remarcabili”

2. L.S. Zhdanov, V.A. Marandzhyan „Curs de fizică”

3. Manualul școlarilor, editat de A. Barașkov

4. M.I. Bludov „Conversații despre fizică”

5. M.I. Yakovleva " Mecanisme fiziologice acțiunea câmpurilor electromagnetice”

6. A.A. Borovoy, E.B. Finkelstein, A.N. Kherubimov „Legile electromagnetismului”

7. I.E. Electromagnetism Irodov. Legile fundamentale. curs de fizica.

8. V.P. Safronov, B.B. Konkin, V.A.Vagan „Fizica: un curs scurt”

O ramură a fizicii care studiază fenomenele electrice: interacțiunea dintre corpurile încărcate, fenomenele de polarizare și trecerea unui curent electric.
Legătura dintre fenomenele electrice și magnetice este studiată prin electromagnetism. Electrodinamica, inclusiv electricitatea și magnetismul, studiază și undele electromagnetice.
Științele aplicate, cum ar fi ingineria electrică, electrochimia etc., își bazează cunoștințele pe electricitate.
Filosoful grec Thales din Milet a fost unul dintre primii cercetători ai electricității.Fenomele electrice erau cunoscute în antichitate de grecii antici, fenicieni și locuitorii Mesopotamiei. Faptul că, atunci când este frecat, chihlimbarul dobândește capacitatea de a atrage obiecte ușoare spre sine, a fost descris în anii 600 î.Hr. Thales din Milet. Thales, totuși, nu a distins electricitatea de magnetism, considerând că acesta este un fenomen, doar chihlimbarul capătă o proprietate atât de ciudată în timpul frecării, iar în magnetită este constantă.
Un nou pas în studiul fenomenelor electrice a fost făcut în 1600 de către medicul englez William Gilbert. După ce a efectuat cercetări asupra fenomenelor electrice și magnetice, a publicat o carte în care a ajuns la concluzia că proprietățile unui magnet permanent și capacitatea chihlimbarului frecat de a atrage obiecte sunt cu siguranță fenomene diferite. Gilbert a început să folosească cuvântul latin electricus Burshtin-like, pentru a descrie o astfel de proprietate. În cartea sa, Gilbert a ajuns și la concluzia că Pământul este un magnet și de aceea acul busolei indică polul.
Magnet permanent cel mai simplu exemplu dipol magnetic. La mijlocul secolului al XVII-lea, Otto von Guericke a inventat generatorul electrostatic.
Experimentele lui Stephen Gray au arătat că electricitatea poate fi transmisă până la 800 de picioare cu conductori de filament umezi, dacă se evita contactul cu pământul și se folosește izolația. Astfel au început cercetările asupra curenților și au pus bazele separării materialelor în conductori și dielectrici.
Charles du Fou a deschis două tipuri variate electricitate, numindu-le „sticloase” și „rășinoase” acum se numesc sarcini pozitive și negative, demonstrând că sarcinile asemănătoare se resping și cele diferite se atrag. De asemenea, Du Fou a împărțit substanțele în conductori și izolatori, numindu-le „electrice” și „non-electrice”.
Experimentele lui Benjamin Franklin, efectuate în 1752, au demonstrat că fulgerul este de natură electrică.
Benjamin Franklin SUA, politician și inventator. A efectuat cercetări asupra energiei electrice în secolul al XVIII-lea. În 1791, Luigi Galvani a publicat descoperirile bioelectricilor. În 1800, Alessandro Volta a construit prima baterie de stâlpi voltaici. tip nou Sursa de curent era mult mai fiabilă decât generatoarele electrostatice care fuseseră folosite anterior. În 1820, André Marie Ampère a descoperit legătura dintre electricitate și magnetism. În 1821, Michael Faraday a inventat motorul electric, iar în 1827 Georg Ohm a stabilit o lege matematică care descrie curentul în circuit electric.
Thomas Edison Este dificil de enumerat toate descoperirile științifice din domeniul fenomenelor electrice din prima jumătate a secolului al XIX-lea. Descoperirea inducției electromagnetice de către Faraday în 1831 a deschis calea pentru producerea și utilizarea energiei electrice pe scară largă, iar sfârșitul secolului al XIX-lea a fost epoca a numeroase invenții în domeniul ingineriei electrice. Până la sfârșitul secolului, prin eforturile unor oameni de știință eminenti precum Nikola Tesla, Thomas Alva Edison, Werner von Siemens, Lord Kelvin, Galileo Ferraris și mulți alții, electricitatea s-a transformat din interes științific în forța principală a celei de-a doua revoluții industriale.
Un arc electric oferă o demonstrație vizuală a curentului electric Elementele de bază ale unui circuit electric Fizica modernă consideră că interacțiunea electromagnetică este una dintre interacțiunile fundamentale. Sarcina electrică este o proprietate a particulelor elementare, dintre care cele mai importante, având în vedere stabilitatea lor, sunt electronul și protonul. Toate substanțele sunt compuse din atomi, în centrul cărora se află un nucleu încărcat pozitiv, iar în jurul nucleului se află electroni încărcați negativ. Majoritatea atomilor din lumea din jurul lor au un număr neutru de electroni egal cu numărul de protoni, dar electronii mobili pot părăsi un atom, formând ioni pozitivi, sau se pot alătura unui atom neutru, formând ioni negativi. Dacă în orice corp fizic numărul de electroni diferă de numărul de protoni, atunci un astfel de corp primește o sarcină electrică macroscopică. Acest proces se numește electrificare.
Încărcăturile asemănătoare se resping, iar sarcinile asemănătoare se atrag. Numeric, interacțiunea dintre sarcini este descrisă de legea Coulomb.
Dacă sarcinile sunt plasate într-un mediu continuu, atunci interacțiunea dintre ele se modifică datorită unui fenomen numit polarizare dielectrică. Polarizarea dielectrică apare din cauza deplasării electronilor în raport cu nucleele atomilor din exteriorul câmp electric sau datorită rotaţiei moleculelor cu propriul moment de dipol. Ca urmare, forța care acționează asupra unei sarcini de la alte sarcini este determinată nu numai de mărimea acestor sarcini și de localizarea lor, ci și de momentele dipolului reduse ale atomilor și moleculelor mediului. La mic câmpuri electrice comparativ cu câmpurile intraatomice, capacitatea unei substanțe de a polariza este descrisă de permisivitatea.
Sub acțiunea forței Coulomb, particulele încărcate se mișcă, formând un curent electric. Un curent electric creează un câmp magnetic prin care poate fi înregistrat. O altă consecință a trecerii unui curent electric printr-o substanță este degajarea de căldură.
Dependența de capacitatea de a conduce un curent electric al unei substanțe poate fi împărțită în conductori și dielectrici.
De la sfârșitul secolului al XIX-lea, fenomenele electrice au jucat un rol din ce în ce mai important în producție și viața de zi cu zi. Electricitatea este în centrul culturii noastre, de la iluminat și electrocasnice până la motoare electrice puternice utilizate în producție.
Productie

Citiți mai multe în articolul Energie

Destinată în principal utilizării în producție și în viața de zi cu zi, electricitatea este generată de centralele electrice, unde energie mecanică rotația turbinelor cu abur este transformată în energie electrică de către generatoarele electrice. Căldura necesară pentru a încălzi aburul care transformă turbinele provine în principal din combustibili fosili. Pe lângă centralele termice, o parte semnificativă a energiei electrice este generată de centrale nucleare și hidrocentrale. În acest din urmă caz, se folosesc surse regenerabile de energie. Alte surse de energie regenerabilă sunt energia eoliană, care este utilizată de parcuri eoliene din ce în ce mai populare în epoca modernă. Utilizarea directă a energiei solare este posibilă datorită celulelor solare.
Energia produsă de centralele electrice este distribuită prin rețeaua electrică în casele oamenilor, fabrici și fabrici.
Pe lângă producția și distribuția energiei electrice prin rețea, sunt utilizate pe scară largă și surse de energie electrică precum bateriile și acumulatorii electrochimici, care fac posibilă obținerea de curent electric. tensiune mică necesare pentru funcționarea dispozitivelor electronice portabile.
Utilizare
În anii 1870 a apărut lampa cu incandescență, care a devenit primul aparat electrocasnic care necesita reteaua electricaîn fiecare casă și instituție umană. Chiar înainte de apariția sa, electricitatea era folosită de telegraf și telefon ca importante dispozitive de comunicare. Electrocasnicele importante includ: radio, televizor, recorder, mașină de spălat, frigider, aer conditionat, incalzire si multe altele. Multe dintre aceste aparate folosesc un motor electric inventat de Michael Faraday. Odată cu dezvoltarea electronicii, computerele au apărut și în casele oamenilor.
De asemenea, producția folosește pe scară largă motoare electrice puternice, dar fenomenele electrice sunt aplicate și la electroformarea, topirea metalelor, sudarea și multe alte moduri.

Electrician pentru o oră, ușor și simplu!

Suntem convinși că dacă aveți dificultăți cu alimentarea cu energie a spațiului dvs. de locuit, a biroului, a casei suburbane sau a oricărui alt obiect, atunci vă putem veni în ajutor.

Toți maeștrii au o vastă experiență în tipul de muncă oferit și, fără îndoială, vă vor ajuta să rezolvați toate dificultățile asociate cu electricitatea pentru dvs.

Unde a început? Cred că aproape nimeni nu va da un răspuns exact și exhaustiv la această întrebare. Dar totuși, să încercăm să ne dăm seama.

Fenomenele legate de electricitate au fost observate în China antică, India și Grecia antică cu câteva secole înainte de începutul erei noastre. Aproape 600 î.Hr., după cum spun legendele supraviețuitoare, filozoful grec antic Thales din Milet cunoștea proprietatea chihlimbarului frecat pe lână de a atrage obiecte ușoare. Apropo, cuvântul „electron” grecii antici îl numeau chihlimbar. De la el a venit și cuvântul „electricitate”. Dar grecii au observat doar fenomenele electricității, dar nu au putut explica.

Numai în 1600 medicul de curte al reginei engleze Elizabeth William Gilbert, folosind electroscopul său, a demonstrat că nu numai chihlimbarul frecat, ci și alte minerale au capacitatea de a atrage corpuri de lumină: diamant, safir, opal, ametist etc. În același an, el publică lucrarea „Despre magnet și corpuri magnetice”, unde a conturat un întreg corp de cunoștințe despre magnetism și electricitate.

În 1650 Omul de știință german și primarul cu jumătate de normă din Magdeburg Otto von Guericke creează prima „mașină electrică”. Era o minge turnată din sulf, în timpul rotației și frecării căreia, corpurile ușoare erau atrase și respinse. Ulterior, mașina lui a fost îmbunătățită de oamenii de știință germani și francezi.

În 1729 Englezul Stephen Gray a descoperit capacitatea anumitor substanțe de a conduce electricitatea. El, de fapt, a introdus pentru prima dată conceptul de conductori și neconductori ai electricității.

În 1733 Fizicianul francez Charles Francois Dufay a descoperit două tipuri de electricitate: „gudron” și „sticlă”. Unul apare în chihlimbar, mătase, hârtie; al doilea - în sticlă, pietre prețioase, lână.

În 1745 Fizicianul și matematicianul olandez de la Universitatea din Leiden Pieter van Muschenbroek a descoperit că un borcan de sticlă acoperit cu folie de staniu poate stoca electricitate. Muschenbroek a numit-o borcanul Leyden. A fost în esență primul condensator electric.

În 1747 Fizicianul Jean Antoine Nollet, membru al Academiei de Științe din Paris, a inventat electroscopul, primul instrument de evaluare a potențialului electric. El a formulat, de asemenea, teoria acțiunii electricității asupra organismelor vii și a dezvăluit proprietatea electricității de a „scurge” mai repede din corpurile mai ascuțite.

În 1747-1753. om de știință american și om de stat Benjamin Franklin a făcut o serie de studii și descoperiri înrudite. El a introdus conceptul de două stări încărcate, care este încă folosit: «+» și «-» . El a explicat acțiunea borcanului Leyden, stabilind rolul decisiv al dielectricului dintre plăcile conductoare. A stabilit natura electrică a fulgerului. El a propus ideea unui paratrăsnet, după ce a stabilit că punctele metalice conectate la pământ îndepărtează sarcinile electrice din corpurile încărcate. El a prezentat ideea unui motor electric. El a fost primul care a folosit o scânteie electrică pentru a aprinde praful de pușcă.

În 1785-1789. Fizicianul francez Charles Augustin Coulomb publică o serie de lucrări despre interacțiunea sarcinilor electrice și a polilor magnetici. Realizează dovada amplasării sarcinilor electrice pe suprafața conductorului. Introduce conceptele de moment magnetic și polarizarea sarcinilor.

În 1791 Medicul și anatomistul italian Luigi Galvani a descoperit apariția electricității atunci când două metale diferite intră în contact cu un organism viu. Efectul descoperit de el stă la baza electrocardiografiilor moderne.

În 1795 un alt om de știință italian Alessandro Volta, investigând efectul descoperit de predecesorul său, a demonstrat că un curent electric are loc între o pereche de metale diferite separate de un lichid conductor special.

În 1801 Omul de știință rus Vasily Vladimirovici Petrov a stabilit posibilitatea utilizării practice a curentului electric pentru conductoarele de încălzire, a observat fenomenul arcului electric în vid și diferite gaze. El a prezentat ideea de a folosi curentul pentru iluminarea și topirea metalelor.

În 1820 Fizicianul danez Hans Christian Oersted a stabilit legătura dintre electricitate și magnetism, care a pus bazele formării ingineriei electrice moderne. În același an, fizicianul francez André Marie Ampère a formulat o regulă pentru determinarea direcției de acțiune a unui curent electric asupra unui câmp magnetic. El a fost primul care a combinat electricitatea și magnetismul și a formulat legile interacțiunii dintre câmpurile electrice și magnetice.

În 1827 Omul de știință german Georg Simon Ohm și-a descoperit legea (legea lui Ohm) - una dintre legile fundamentale ale electricității, care stabilește relația dintre curent și tensiune.

În 1831 Fizicianul englez Michael Faraday a descoperit fenomenul inducției electromagnetice, care duce la formarea unei noi industrii - ingineria electrică.

În 1847 Fizicianul german Gustav Robert Kirchhoff a formulat legile curenților și tensiunilor din circuitele electrice.

Sfârșitul secolului al XIX-lea - începutul secolului al XX-lea a fost plin de descoperiri legate de electricitate. O descoperire a dat naștere unui întreg lanț de descoperiri de-a lungul mai multor decenii. Electricitatea din subiectul cercetării a început să se transforme într-un obiect de consum. A început să fie introdus pe scară largă în diverse domenii de producție. Au fost inventate și create motoare electrice, generatoare, telefon, telegraf, radio. Începe introducerea energiei electrice în medicină.

În 1878 străzile Parisului au fost iluminate de lămpile cu arc ale lui Pavel Nikolaevici Yablochkov. Apar primele centrale electrice. Nu cu mult timp în urmă, părând ceva incredibil și fantastic, electricitatea devine un asistent familiar și indispensabil pentru omenire.

Despre istoria energiei electrice, pe scurt. Electricitatea este o ramură a fizicii care vorbește despre proprietățile și fenomenele asociate cu interacțiunea particulelor încărcate.

Descoperirile făcute în acest domeniu al științei fizicii ne-au influențat radical viețile. Prin urmare, nu trebuie să uităm niciodată cum a început această știință. Istoria energiei electrice datează din cele mai vechi timpuri. Despre istoria energiei electrice, pe scurt.

Sarcina electrică a fost descoperită pentru prima dată de Thales din Milet încă din anul 600 î.Hr. e. El a observat că chihlimbarul, purtat pe o bucată de lână, capătă proprietăți uimitoare pentru a atrage obiecte ușoare neelectrificate (pufurile și bucățile de hârtie). Termenul „electricitate” a fost introdus pentru prima dată de omul de știință englez Tudor Gilbert în cartea sa Despre proprietăți magnetice, corpuri magnetice și marele magnet - Pământul. În cartea sa, el a demonstrat că nu numai chihlimbarul, ci și alte substanțe au proprietatea de a fi electrificate. Iar la mijlocul secolului al XVII-lea, cunoscutul om de știință Otto von Guericke a creat o mașină electrostatică în care a descoperit proprietatea obiectelor încărcate de a se respinge unele pe altele. Așa că au început să apară conceptele de bază din secțiunea de electricitate. Despre istoria energiei electrice.

Deja în 1729, fizicianul francez Charles Dufay a stabilit existența a două tipuri de încărcături. El a numit astfel de încărcături „sticloase” și „rășinoase”, dar în curând, omul de știință german Georg Lichtenberg a introdus conceptul de încărcare negativă și pozitivă. Și în 1745 primul condensator electric- așa-numita bancă Leyden.

Dar ocazia de a formula conceptele și descoperirile de bază în știința electricității a fost posibilă doar atunci când au apărut cercetările cantitative. Atunci a început timpul descoperirii legilor de bază ale electricității. Legea interacțiunii sarcinilor electronice a fost descoperită în 1785 de omul de știință francez Charles Coulomb folosind sistemul de balanțe de torsiune pe care l-a creat.

Aproape în același timp, în 1800, experimentatorul italian Volt a inventat prima sursă de curent continuu din viața umană - o celulă galvanică elementară. Au devenit cunoscute marile descoperiri asociate lucrării lui Joule, Ohm și Lenz, care studiază manifestarea curentului electric într-un circuit. Faraday în 1831 și 1834 descoperă inducția electromagnetică și faimoasele legi ale electrolizei.

Astfel, încă din secolul al XVII-lea, conceptul electric al materiei a început să prindă contur, conform căruia toate corpurile fizice, fără excepție, sunt complexe deosebite de particule care interacționează. Prin urmare, în viitor, mulți proprietăți fizice corpurile sunt determinate de legile care au fost formulate în antichitate. Știința electricității nu stă pe loc și în fiecare an apar tot mai multe noi descoperiri în acest domeniu al științei. Pe site-ul nostru despre energie electrică, veți fi mereu la curent cu toate noile cercetări despre istoria energiei electrice.