История открытий в электроэнергетике

Открытие и применение электричества было одним из величайших достижений человечества. Этому предшествовали усилия многих и многих людей разных профессий в разные эпохи. Попробуем перечислить в исторической последовательности некоторые наиболее известные открытия, изобретения, примеры применения электричества и вспомнить их создателей.

В античной Греции на стыке VII-VI веков дп н.э. купец, философ и ученый Фалес Милетский натирал меховой шкуркой кусок окаменевшей смолы - янтарь, который после этого получал способность притягивать к себе различные легкие предметы: перо птицы, сухие листочки и т.п.

Спустя много столетий элементарную заряженную частичку (несущую единичный электрический заряд) стали называть электрон (по-гречески - янтарь).

'В V веке до н.э. вблизи древнего города Магнезия (территория со­временной Турции) находили удивительные путеводные продолговатые камни. Они, подвешенные на длинных нитях, всегда указывали одно направление. Это были куски магнитной руды, которая впоследствии получила свое название в честь города, где была найдена.

Первые сведения о применении электричества для металлизации сосудов относятся к IIIвеке до н.э. (применение в ремесле). Использовались электроды из меди и железа, а электролитом являлось вино. Электродвижущая сила такого химического источника электричества достигала ~ 0,8 В.

Потом эти открытия были частично или полностью утеряны (или забыты), человечество изобретало и открывало их вновь.

Основоположником науки о магнетизме является англичанин У. Гильберт (1540-1603). В 1600 г. вышел труд У. Гильберта "О магните, магнитных телах и большом магните - Земле", в котором он описывает разные полюса у магнита (северный и южный), поведе­ние одинаковых и разноименных полюсов, способы намагничивания железа. Он первый указал на наличие магнитного поля Земли, посвятив этому открытию 18 лет жизни и поставив около 600 опытов, создал первое электроизмерительное устройство - электроскоп и назвал электрическими тела, способные электризоваться.

Первым источником электроэнергии уже нашей эры стал электростатический генератор (трибоэлектрический), изобретенный в 1663 г. мэром Магдебурга Отто фон Герике.

Он изготовил шар из серы, который вращается вручную (трением поверхности руками). В результате на шаре накапливался электрический заряд. Мощность шара была менее 1 Вт. Казалось бы – пустяк, однако с его помощью были открыты многие важные явлениясвойства электричества.

В 1675 г. И. Ньютон описал электризацию тел.

Может возникнуть впечатление, что XVII век немногое внес в развитие науки об электричестве, но именно тогда был заложен ее фундамент и дан мощный импульс к разнообразным исследованиям электрических явлений следующих столетий.

Ф. Хауксбив 1705 г. создал электрический генератор, используя вместо серного шара стеклянный. В 1743 г. в такую машину был введен скользящий контакт, который снимал заряд, и машина смогла при вращении непрерывно отдавать электрическую энергию.

С. Грей в 1729 г. заметил, что одни вещества проводят электричество, а другие не проводят.

Ш. Дюфе в начале XVIII века открыл электрическое взаимодействие заряженных тел - притяжение разноименных и отталкивание одноименных тел.

В середине XVIII века в Лейдене была создана «лейденская банка» - прообраз электрического конденсатора. Открытие этого конденсатора принадлежит преподавателю физики голландцу Мушенбруку и немецкому священнику фон Клейсту. Заряжалась "лейденская банка" с помощью серного шара фон Герике.

"Лейденская банка" представляла собой стеклянную банку с остатками ртути на внутренней поверхности. Через пробку в нее вставлялся гвоздь, а снаружи банка обертывалась металлической фольгой. Гвоздь и фольга служили электродами, а стекло (диэлектрик) накапливала заряд от серного шара Герике.

Опыт с заряженной "лейденской банкой" демонстрировался в присутствии большого скопления народа на площади во Франции.

180 гвардейцев короля становились в круг, взявшись за руки. Один из гвардейцев притрагивался к фольге "лейденской банки", а последний в цепи притрагивался к металлическому стержню. По всей цепи гвардейцев мгновенно протекал ток и все люди получали электрический удар, который тут же вызывал реакцию людей - вскрики, прыжки, взмахи рук и т.п. Ученые регистрировали воздействие электричества на человека, проводимость человеческого тела, а также электрический у дар.

Пытаясь зарядить "лейденскую банку" от небесного электричества (молнии), в 1753 году погиб товарищ М.В.Ломоносова Г.В.Рихман.

Михаил Васильевич Ломоносов,родоначальник отечественной науки, в 1753 г. поставил задачу перед учеными: "... сыскать подлинную электрической силы причину и составить ее точную теорию".

М.В. Ломоносов много занимался "небесным электричеством", описывал электрические явления и способ получения электричества искусственным путем - труд "Об электрической силе... ".

Со своим другом Г. В. Рихманом они проделали множество наблюдений и опытов с небесным электричеством - молнией, северным сиянием. Ломоносов высказал очень важную мысль о возможности передачи электричества на большие расстояния и о практическом использовании электричества для металлизации поверхности металлов (1747 г.); только через 100 лет Б.С. Якоби открывает и при­меняет гальванопластику.

Гeорг Вильгельм Рихман (1711 - 1753) создал в Петербурге лабораторию по исследованию электрических явлений, изготовил целый ряд электроизмерительных приборов.

Параллельно с М.В. Ломоносовым проводил опыты с «небесным электричеством» в Америке Б. Франклин, ученый, поэт, дипломат, который внес большой вклад в изучение электрических явлений и в 1752 г. изобрел громоотвод (вернее бы его назвать молниеотвод).

Молниеотвод от шаровых молний был изобретен русским инженером Б. Игнатовым в ХХ в.

В 1759 г. академик Российской Академии Ф. Эпинус (1724 – 1802) открыл и объяснил электрическую поляризацию, существование силовых магнитных линий, взаимодействие электрических и магнитных масс.

Из перечисленного выше невольно напрашивается жизненно важный вывод (над которым мы редко задумываемся): первые и очень важные открытия в любой области знаний нередко совершают специалисты других разделов науки или деятельности.

Подтвердим это высказывание еще некоторыми примерами.

Итальянец Луиджи Гальвани, заведующий кафедрой анатомии, в 1791 г. опубликовал труд "Трактат о силах электричества при мышечном движении" .

Он открыл существование электрических токов внутри живых существ, препарируя железным скальпелем лежащую на медном блюде лягушку (разные металлы!).

Это открытие через 121 год дало толчок исследованиям человеческого организма с помощью биоэлектрических токов. Обнаруживались больные органы при исследовании их электрических сигналов. Работа любого органа (сердца, мозга) сопровождается биологическими электрическими сигналами, имеющими для каждого органа свою форму. Если орган заболевает, сигналы изменяют свою форму, и при сравнении «здоровых» и «больных» сигналов обнаруживаются причины заболевания.

Опыты Гальвани натолкнули на изобретение нового источника электричества профессора Тессинского университета Алессандро Bольта (1745-1827).

В 1800 г. А. Вольта объявил Лондонскому Королевскому обществу об изобретении вольтова столба. Свой источник электричества он назвал в честь Гальвани гальваническим элементом. Это был источник электричества более мощный, чем генератор Герике.

Этот источник состоял из большого количества малых элементов, каждый из которых содержал две пластинки из пары разных металлов: медь - свинец или серебро - цинк, между которыми находилась пористая, пропитанная кислотой (или щелочью), прокладка.

Набирая последовательно большое количество таких элементов Вольта получал электрохимический источник электричества напряжением до 2 кВ. Этого было уже достаточно для исследования электричества, получения электрической дуги, электродуговой свечи, сваривания металлов и т.п. А. Вольта в это время было 56 лет. Наполеон за это открытие вручил ему в 1801 г. Большую Золотую медаль. Батарейки, которыми мы сейчас пользуемся в часах, приемниках и др. - это те же, но усовершенствованные, вольтовы столбики - гальванические элементы.

В 1821 г. был изобретен еще один источник электричества - термоэлемент. Профессор Т.И. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что, если один спай двух разнородных металлов А и В (например, медь-константан) нагреть (Т_г), а второй спай охладить (Т_х), или просто не нагревать, то возникает термоэлектродвижущая сила.

,

где k - постоянная Больцмана; q - заряд электрона; п - плотность электронов.

Ж. Пелетье (1785-1845) открыл противоположное явление в 1834 году. Если к одному из спаев двух разнородных проводников приложить постоянное электрическое напряжение, то один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться.

,

где Q_П- теплота Пельтье, П - коэффициент пары металлов, I -ток, τ - время.

С изобретением каждого нового источника электричества ученые с интересом обнаруживали, что таинственное электричество возникает под действием совершенно разнородных сил, например, тепла, химических реакций, механического трения, света и т.п. Лишь проникновение в структуру вещества, в атомную и молекулярную природу материи позволило позднее понять, что объединяет эти столь различные внешние явления.