ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ, ЭЛЕКТРОПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

Длительное время электрическая энергия не могла получить широкого практического применения вследствие отсутствия экономичных генераторов. Но это относится к так называемым энергетическим применениям электричества, при которых затрата энергии пропорциональна количеству получаемого продукта, интенсивности производственного процесса.

Что же касается неэнергетических применений, не требующих значительных затрат электроэнергии, когда она используется лишь в качестве вспомогательного средства для передачи сигналов (телеграфия, телефония, электрическое взрывание мин, дистанционное управление и др.), то именно такие неэнергетические применения положили начало практическому использованию электричества [1.6].

Расширение неэнергетических применений электричества сыграло значительную роль в развитии электротехники вообще, так как в процессе создания разнообразных устройств такого рода неизбежно приходилось разрешать ряд практических и теоретических проблем в области электротехники: совершенствовать источники питания, создавать разнообразные приборы и приспособления, в том числе и автоматические, изготовлять изолированные проводники, исследовать свойства различных материалов, разрабатывать методы измерений, устанавливать единицы измерения величин. Все это привело к разработке схем и методов, получивших применение в современном телеуправлении, например, кодоимпульсного метода, принципа синхронно‑синфазной связи, распределителей, исполнительных устройств.

Первым электротехническим устройством, предназначенным для широкого практического использования, был электрический телеграф. Наиболее совершенным оказался электромагнитный телеграф, выгодно отличавшийся от предшествовавших ему электростатического и электролитического телеграфов.

Первый практически пригодный электромагнитный телеграф был разработан русским ученым Павлом Львовичем Шиллингом (1786–1837 гг.) в 1828–1832 гг. Этот телеграф был основан на визуальном приеме кодовых знаков (рис. 2.23) и явился исходной конструкцией последующих телеграфов. П.Л. Шиллингом впервые был внедрен в область электрической передачи кодированный сигнал, чем было положено начало кодоимпульсному методу, который получил применение в современном телеуправлении [1.6; 2.18].

В процессе разработки проекта подводной телеграфной линии Петергоф – Кронштадт (1837 г.) П.Л. Шиллингом был впервые применен каучук для изолирования подводного кабеля, а также указана возможность использования воды или земли в качестве обратного провода. Кроме того, он впервые предложил подвешивать провода на столбах, что вначале было воспринято с недоверием.

Из всех предложенных после П.Л. Шиллинга конструкций электромагнитных телеграфов наиболее широкое применение получил телеграф (1844 г.) американца Сэмюэля Морзе (1791–1872 гг.). Заслуживает внимания разработанный Б.С. Якоби принцип электрической синхронно‑синфазной связи, лежащей в основе современной техники дистанционной передачи и следящего электропривода. В таком телеграфе Б.С. Якоби стрелки передающего и приемного аппаратов совершали равномерно‑прерывистое шаговое движение, перемещаясь с одинаковой скоростью (синхронно) и занимая одинаковое пространственное положение (синфазно). В середине XIX в. были разработаны конструкции буквопечатающих телеграфов [1850 г. – Б.С. Якоби, 1855 г. – английским физиком Дэвидом Юзом (1831–1900 гг.)].

^{Рис. 2.23. Схема телеграфа Шиллинга}

^{1 – вольтов столб; 2 – клавиатура (передатчик); 3 – приемник; 4 – обратный провод; 5 – шесть рабочих мультипликаторов и один вызывной}

Среди первых применений электричества отметим использование его в военном деле, прежде всего для воспламенения пороховых зарядов. Эта проблема впервые была успешно разрешена в 1812 г. П.Л. Шиллингом, осуществившим на Неве опыт по электрическому взрыванию подводных мин.

Дальнейшие работы в области минной электротехники развивались в направлении совершенствования электрических запалов, создания специальных электрических машин и приборов для их питания («взрывные» машинки, индукционные катушки) и автоматизации самого процесса взрывания мины.

Так, например, Б.С. Якоби в начале 40‑х годов XIX в. были разработаны специальный магнитоэлектрический генератор и индукционный прибор, которые были приняты на вооружение русской армией. Созданием этих приборов было положено начало внедрению батарейной и генераторной систем зажигания с применением индукционной катушки. Именно в минном деле впервые получил применение такой широко распространенный электротехнический прибор, как индукционная катушка Б.С. Якоби. Отечественными и зарубежными военными электротехниками были разработаны также разнообразные электроавтоматические приборы, обеспечивающие взрыв мины при ее соприкосновении с кораблем [2.14].

Характерной особенностью рассматриваемого периода являются первые попытки использования электрической энергии для целей автоматического контроля, управления и регулирования. Если ранее для этого применялись различные механические устройства, то начиная с 30‑х годов XIX в. в автоматических приборах и установках получают все большее применение разнообразные электромеханические элементы. Происходит качественный сдвиг в развитии автоматики и телемеханики: зарождается новая область техники – электроавтоматика. Эффективность использования электричества в автоматических и телемеханических устройствах определялась прежде всего свойством электрического тока быстро распространяться по проводу. Основными элементами простейших электроавтоматических и телемеханических устройств были электромагниты и электромагнитные реле. К их числу могут быть отнесены электромагнитные реле в телеграфах П.Л. Шиллинга и Б.С. Якоби, электромеханический регистратор импульсов в пишущих телеграфах, устройства синхронизированного вращения в стрелочном и буквопечатающем телеграфах, релейные устройства для автоматического замыкания электрической цепи в телеграфах и минных установках.

^{Рис. 2.24. Схема автоматического переключателя}

В середине прошлого века разрабатываются электроавтоматические устройства для регистрации малых промежутков времени, контроля некоторых производственных процессов, создается ряд схем дистанционного управления.

Одним из первых наиболее совершенных регистрирующих устройств была разработанная в 1842–1845 гг. электробаллистическая установка русского военного электротехника Константина Ивановича Константинова (1817–1871 гг.) с электромагнитным хроноскопом и автоматическим переключателем цепей – прототипом распределителя – элемента современных автоматических и телемеханических установок. Автоматический переключатель (рис. 2.24) действовал следующим образом: двухступенчатый деревянный цилиндр 1 приводился во вращение грузом 2. При прохождении тока через электромагнит 5 тормозящий рычаг 3, посаженный на ось 4, удерживал цилиндр от вращения. После выстрела снаряд разрывал проволоку щита I и цепь электромагнит – источник тока (зажим 7) размыкалась. Спиральная пружина 8 отводила тормозящий рычаг до упора 9. Цилиндр вращался до тех пор, пока контактная пластина б не соединялась с пружиной следующего щита III, и цепь электромагнита снова замыкалась. С помощью такого устройства К.И. Константинову удалось осуществить измерение малых промежутков времени с точностью до 0,00006 с. Приборы, созданные К.И. Константиновым, автоматически регистрировали момент прохождения снаряда сквозь щит [1.6; 2.19].

В 60–70‑х годах XIX в. в связи с развитием телефонии создаются специальные автоматические устройства – искатели, коммутаторы и др. Ведется разработка электротермических, электрохимических, электромагнитных и электромашинных устройств.

В рассматриваемый период было положено начало и энергетическим применениям электричества, в частности начинает развиваться промышленная электрохимия. Развитие промышленной электрохимии в огромной мере обязано открытию Б.С. Якоби в 1838 г. явления гальванопластики, которая позволила с помощью электролиза получать точные копии с поверхности предметов и сразу же нашла практическое применение в полиграфии, медальерном деле и других отраслях промышленности. Она явилась истоком созданного Б.С. Якоби метода нанесения на поверхность предмета металлических покрытий – гальваностегии. В середине прошлого века в России и за границей возникли крупные гальванотехнические промышленные предприятия, на многих заводах были созданы гальванические мастерские.

Развитие промышленной электрохимии также сыграло важную роль в развитии электротехники, вызвав необходимость совершенствования источников постоянного тока (в частности, создания экономичного генератора) и углубления электрохимических исследований.

Развитие исследований в области электрических и магнитных явлений и расширение их практического применения вызвали необходимость разработки методов измерений основных электрических величин и создания электроизмерительных приборов. Принцип действия первых электроизмерительных приборов был основан на отклонении магнитной стрелки электрическим током; такие приборы являлись лишь индикаторами тока. Первым из них, как уже указывалось ранее, был мультипликатор И.Х. Швейггера.

В первых стрелочных приборах, служивших для измерения тока, синус или тангенс угла отклонения стрелки был пропорционален значению тока, поэтому такие приборы назывались соответственно синус‑гальванометрами и тангенс‑гальванометрами. Первая попытка отградуировать гальванометр была сделана в 1839 г. Б.С. Якоби.

Уже в первой половине XIX в. создаются более чувствительные и точные гальванометры, электрогальванометры, астатический гальванометр и т.п. Были разработаны баллистический (Э.Х. Ленц, 1832 г.) и компенсационный [немецкий физик Иоганн Христиан Поггендорф (1796–1877 гг.), 1841 г.] методы измерений, мостовая измерительная схема (Ч. Уитстон 1843 г.) и др.

В 40–60‑х годах XIX в. разрабатываются первые конструкции реостатов (вольтагометр Якоби), реохордов (И.Х. Поггендорф), магазинов сопротивлений и других подобных устройств.

В рассматриваемый период стабилизируются наименования основных электрических величин, постепенно устанавливаются термины: электродвижущая сила (ЭДС), сила тока, электрическое сопротивление, количество электричества и др. Электрические единицы и эталоны были утверждены на Чикагском электротехническом конгрессе в 1893 г. [1.6].