РАЗВИТИЕ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ШКОЛЫ ТЭ

В России ТЭ с самого начала своего появления развивалась на основе признания материальности ЭМП и важности понимания картины протекания рассматриваемых физических процессов для их практического использования и описания в виде математических моделей. Развитие этой школы до 20‑х годов XX столетия отличается освоением достижений в области, главным образом, физики электромагнитных явлений. Характерной для этого периода в России следует считать практическую неделимость исследований физических явлений, разработки простейших моделей этих явлений и решения задач, связанных с расчетом исследуемых физических величин. В этом отношении работы множества ученых можно отнести и к области физики, т.е. к фундаментальным наукам, и к области ТЭ, поскольку в них предлагались и методы создания математических моделей, и методы анализа и расчета этих моделей для простейших с современной точки зрения задач.

Русские ученые внесли заметный вклад в развитие электротехники и физики и тем самым заложили надежную базу для создания отечественной школы ТЭ. В этом отношении следует отметить работы А.Г. Столетова и представителей его школы (Н.С. Акулов, В.К. Аркадьев, А.С. Займовский и др.) по исследованию магнитных свойств железа и ферромагнетиков. Вкладом в развитие ТЭ следует считать исследование зависимости экономичности передачи электрической энергии от напряжения, проведенное Д.А. Лачиновым и М. Депре. В России становление отечественной школы ТЭ одновременно протекало в двух главных центрах науки – в Петербурге и Москве. Отставание России в промышленном развитии по сравнению с западными странами вынуждало русских ученых реализовать свои идеи и новые разработки на Западе. В этом отношении весьма показательна судьба М.О. Доливо‑Добровольского, который изобретением трехфазных систем и вращающегося магнитного поля совершил революцию в электромашиностроении и электроэнергетике.

На начальном этапе внедрения электричества в практику русские инженеры показали свои большие потенциальные возможности. В 1893 г. инженер А.Н. Шенснович построил Новороссийский элеватор с электростанцией мощностью 1200 кВт, (максимальная к тому времени мощность), в которой работали четыре синхронных трехфазных генератора мощностью по 300 кВт. Трехфазные генераторы и двигатели переменного тока, использованные на элеваторе, были изготовлены в собственных мастерских по проектной документации фирмы «Броун Бовери». По сути, на этом предприятии фактически была реализована наиболее оптимальная схема компоновки электропривода.

Однако в целом отсутствие в России равноценной западным странам проектной и промышленной базы стимулировало работы теоретического и исследовательского характера. В ТЭ такие исследования развивались в области формирования собственной точки зрения на ЭМП и, в частности, на влияние свойств среды на распространение электромагнитного поля и его использование для передачи сигналов. В прикладном аспекте следует отметить работы А.С. Попова (1859–1906 гг.), который в 1895 г. на заседании физического отделения Русского физико‑химического общества продемонстрировал возможность передачи сигналов при помощи электромагнитных волн. Следует особо отметить изобретение Б.Л. Розингом, работавшим в Петербургском политехническом институте, системы передачи изображения (1911 г.) при помощи электронно‑лучевой трубки (патент 1907 г.).

Важное значение для развития ТЭ имела изначальная ориентация большинства русских физиков на фарадей‑максвелловы идеи о физической реальности процессов, происходящих в ЭМП. Профессор Петербургского университета И.И. Боргман (1849–1914 гг.) и ряд ученых на своих лекциях и в докладах на собраниях, организованных физическим отделением Русского физико‑химического общества и электротехническим отделом Русского технического общества, пропагандировали и распространяли идеи, способствующие формированию знаний в области ТЭ. В контексте этих идей предметом глубокого и всестороннего рассмотрения стала проблема оценки принципов близко‑ и дальнодействия.

История создания электротехнических устройств показала, что решающее значение приобретает глубокое понимание физической картины протекающих в них электромагнитных процессов. Именно эта особенность в максимальной мере отличала развитие отечественной школы ТЭ. В этой связи следует отметить принципиальное отличие методических основ подготовки научных и инженерных кадров для экономики и формирования ТЭ в нашей стране от иностранных. Несмотря на совпадение на начальном этапе развития ТЭ и раздела физики, относящегося к ЭМП, в университетских курсах и у нас и за границей прикладные аспекты электромагнитных процессов не рассматривались. В этом отношении весьма показательно высказывание автора двухтомного курса физики И.И. Боргмана «Основания учения об электрических и магнитных явлениях», вышедшего из печати в 1895 г. в Петербурге. В этой книге автор заканчивает раздел, относящийся к рассеянию энергии в стали, следующими словами: «Вопрос о выделении тепла в железе при намагничивании его, т.е. рассеянии энергии при этом, представляет большой интерес в электротехнике, в теории трансформатора. Более подробное рассмотрение этого вопроса выходит из пределов настоящего курса». Эти, по существу дела, общие теоретические вопросы недостаточно полно рассматривались и в ряде специальных электротехнических курсов, читавшихся известными учеными электротехниками того времени: П.Д. Войнаровским, организовавшим первую русскую лабораторию высоких напряжений (2x100 кВ), А.А. Вороновым, крупным специалистом по электрическим машинам, и др. О необходимости восполнения этого пробела при подготовке кадров будущих специалистов‑электриков вспоминает крупный ученый М.А. Шателен (1866–1957 гг.), чл.‑корр. АН СССР с 1931 г.: «Особенно нас не удовлетворяла подготовка по теоретической электротехнике. Читавшийся тогда в Электротехническом институте «Специальный курс электричества», несмотря на то, что он читался таким крупнейшим профессором, как И.И. Боргман, не удовлетворял нас. В сущности это был тот же курс, который И.И. Боргман читал на физико‑математическом факультете университета, только сокращенный. Никакой специфики, связанной с его целевым назначением не было.

И вот тут у Владимира Федоровича Миткевича начали назревать те мысли, которые потом были осуществлены в Политехническом институте, когда он начал читать на электромеханическом факультете (тогда отделении) курс теоретических основ электротехники. Аналогичного курса не было ни в русской, ни в иностранной литературе. Это было действительно изложение основ учения об электрических и магнитных явлениях, предназначенное специально для будущих инженеров‑электриков и подготавливающее студентов к сознательному восприятию тех сведений, которые они потом получали в специальных курсах электрических машин, высоких напряжений и т.п.

Я помню тот исключительный интерес, который проявляли к этому курсу не только студенты, но и преподаватели и молодые электрики и физики. Литографированные листы этого курса разбирались нарасхват».

Речь здесь идет о курсе «Теория электрических и магнитных явлений», который В.Ф. Мит‑кевич начал читать в 1904 г. в Политехническом институте и который был издан в 1912 г. В этих воспоминаниях высказана основная идея создания не просто учебного курса, а всего направления ТЭ, заключающаяся в создании совместными усилиями теоретиков и специалистов прикладного направления общего физического и математического фундамента для всех специальных дисциплин. В 1905 г. была начата подготовка инженеров электротехнической специальности и в Московском высшем техническом училище (МВТУ). Основные теоретические курсы «Теория переменных токов» (изданный в 1906 г.) и «Электрические измерения» в МВТУ начал читать Карл Адольфович Круг (1873–1952 гг.). Этими курсами, в систематической форме излагающими основные положения двух важнейших разделов ТЭ, и была заложена основа отечественной школы ТЭ. Со времени появления этих курсов в учебные программы всех высших учебных заведений, готовивших инженеров‑электриков, неизменно входил курс «Теоретические основы электротехники».

Монографии и учебники по ТЭ отражали и систематизировали технические и научные достижения в области электротехники и физико‑математических дисциплин в России и за ее пределами и в свою очередь служили фундаментом для дальнейшего развития электротехники. Вместе с тем развитие прикладных аспектов электротехники приводило к возникновению все новых и новых проблем, входящих в компетенцию ТЭ. На начальном этапе развития электротехники быстрее появлялись новые области приложения физических открытий, а следовательно, и новые отрасли электротехники. В последующем наблюдалась обратная картина, когда окрепшие и самостоятельно развивающиеся отрасли электротехники ставили перед наукой новые задачи, побуждающие развитие ТЭ. Установление основных законов электродинамики, т.е. взаимодействия токов и магнитных полей, привело к изобретению электрической связи, электрических машин и трансформаторов. В свою очередь, анализ процессов в электрических цепях способствовал оптимальному проектированию электрических сетей и линий электропередачи. Открытие электромагнитных волн дало толчок к изобретению радио и радиотелефонной связи, космической связи и навигации и т.п. Широкое применение электрических цепей и систем переменного тока, содержащих трансформаторы, электрические машины, двигатели и другие элементы, в которых происходило преобразование электрической энергии, поставило новые задачи перед ТЭ. Началось интенсивное развитие теории электрических цепей переменного тока, теории симметричных составляющих, переходных процессов и др. В этой связи особо значительным как в инженерном отношении, так и в отношении развития методов расчета электрических цепей было введение метода представления синусоидальных токов и напряжений в виде комплексных величин американским инженером Ч.П. Штейнмецем. Об этом методе Ч.П. Штейнмец докладывал в 1893 г. на Международном электротехническом конгрессе.

Исследования токов коротких замыканий при включении и выключении нагрузки привели к разработке новых методов расчета переходных процессов во всех электротехнических установках и в других областях инженерной практики, например при расчете гидравлических процессов.

Следует особо отметить вклад в развитие методов ТЭ английского физика Оливера Хевисайда (1850–1925 гг.). Подход О. Хевисайда к исследованию электромагнитных явлений – пример для специалиста в области ТЭ. Он стремился гармонически сочетать глубину понимания физического процесса и математических методов его представления и расчета для получения данных, количественно характеризующих эти процессы. В ТЭ он ввел много новых понятий (функцию Хевисайда, определяющую современное понятие единичной функции, импульсной функции и др.) и методов расчета. Большое внимание было уделено развитию раздела математики, необходимого для расчета переходных процессов в электрических цепях. Исследуя процесс установления тока в проволоке (сопротивление) при ее включении под действие постоянного напряжения, он пришел в выводу, что в процессе установления тока (по современной терминологии, в течение переходного процесса) он течет «по слоям, сильный на поверхности провода, слабый в середине» и определил зависимость этого явления от скорости изменения тока, т.е. предсказал явление поверхностного эффекта и объяснил его, введя понятие, аналогичное вектору Умова – Пойнтинга почти одновременно с Д.Г. Пойнтингом. Для расчета переходных процессов он использовал операторы, преобразующие дифференциальные уравнения в алгебраические. Подходы физика О. Хевисайда к исследованию электромагнитных процессов были близки к таковым в ТЭ в отношении доведения исследований до количественных данных. И то обстоятельство, что Хевисайд изобретал математические методы, отчасти разработанные задолго до него математиками, являлось отражением основного пробела в развитии ТЭ на начальном этапе – недостаточного использования достижений математики.