Электротехника. Основные этапы ее развития

Решающая роль в современном научно-техническом прогрессе принадлежит электрификации. Как известно под электрификацией понимается, широкое внедрение электрической энергии в народное хозяйство и быт, и сегодня нет такой области техники, где в том или ином виде не использовалась бы электрическая энергия а в будущем ее применение будет еще более расширяться. Под электротехникой в широком смысле слова подразумевается область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для практических целей.

Это общее определение электротехники можно раскрыть более подробно, выделив те основные области, в которых используются электрические и магнитные явления: преобразование энергии природы (энергетическая), превращение вещества природы (технологическая), получение и передача сигналов или информации (информационная). Поэтому, более полно электротехнику можно определить, как область науки и техники, использующую элект­рические и магнитные явления для осуществления процессов пре­образования энергии и превращения вещества, а также для передачи сигналов и информации.

В последние десятилетия из электротехники выделилась про­мышленная электроника с тремя ее направлениями: информаци­онное, энергетическое и технологическое, которые с каждым годом приобретают все большее значение в ускорении научно-тех­нического прогресса.

В развитии электротехники условно можно выделить следую­щие шесть этапов.

1. Становление электростатики (до 1800 г.). К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явле­ний, создание первых электростатических машин и приборов, исследования атмосферного электричества, разработка первых те­орий электричества, установление закона Кулона, зарождение электромедицины.

2. Закладка фундамента электротехники, ее научных основ (1800 - 1830 гг.). Начало этого периода ознаменовано созданием «вольтова столба» — первого электрохимического генератора, а вслед за ним "огромной наипаче батареи" В. В. Петрова, с помощью которой им была получена электрическая дуга и сделано много но­вых открытий. Важнейшими достижениями этого периода является открытие основных свойств электрического тока, законов Ампера, Био и Савара, Ома, создание прообраза электродвигателя, первого индикатора электрического тока (мультипликатора), установление связей между электрическими и магнитными явлениями.

3. Зарождение электротехники (1830 - 1870 гг.). Самым зна­менательным событием этого периода явилось открытие М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, создание первого электромашинного генератора. Разрабатываются разнообраз­ные конструкции электрических машин и приборов, формули­руются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники электрического освещения, первые электроавтоматические приборы зарождается электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение электрической энергии бы­ло невозможно из-за отсутствия экономичного электрического генератора.

4. Становление электротехники как самостоятельной отрасли тех­ники (1870—1890 гг.). Создание первого промышленного электрома­шинного генератора с самовозбуждением (динамомашины) открывает новый этап в развитии электротехники, которая стано­вится самостоятельной отраслью техники. В связи с развитием про­мышленности, ростом городов возникает острая потребность в электрическом освещении, начинается строительство «домовых» электрических станций, вырабатывающих постоянный ток. Элект­рическая энергия становится товаром, и все более остро ощущается необходимость централизованного производства и экономичной пе­редачи электроэнергии на значительные расстояния. Решить эту проблему на базе постоянного тока было нельзя из-за невозможно­сти трансформации постоянного тока. Значительным стимулом к. внедрению переменного тока явилось изобретение «электрической свечи» П. Н. Яблочковым и разработка им схемы дробления электри­ческой энергии посредством индукционных катушек, представляв­ших собой трансформатор с разомкнутой магнитной системой.

Одновременно разрабатываются способы передачи электриче­ской энергии на большие расстояния посредством значительного повышения напряжения линий электропередач. Дальнейшее раз­витие электрического освещения способствовало совершенствова­нию электрических машин и трансформаторов; в середине 80-х гг. началось серийное производство однофазных трансформаторов с замкнутой магнитной системой. Идея П. Н. Яблочкова о централизованном производстве и распределении электроэнергии претворяется в жизнь, начинается строительство центральных электростанций переменного тока.

Однако развивающееся производство требовало комплексного решения сложнейшей научно-технической проблемы: экономич­ной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создания экономичного и надежного электрического двигателя, удовлетво­ряющего требованиям промышленного электропривода. Эта проблема была успешно решена на основе многофазных, в частности трехфазных систем.

5. Становление и развитие электрификации (с 1891 г.). Важ­нейшей предпосылкой разработки трехфазных систем явилось открытие (1888 г.) явления вращающегося магнитного поля. Первые многофазные двигатели были двухфазными. Трехфазная система оказалась наиболее рациональной, так как имела ряд преиму­ществ как перед однофазными цепями, так и перед другими мно­гофазными системами.

В разработку трехфазных систем большой вклад сделали уче­ные и инженеры разных стран. Но как будет показано далее, наи­большая заслуга принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер, со­здавшему трехфазные синхронные генераторы и асинхронные двигатели, трансформаторы. Убедительной иллюстрацией пре­имуществ трехфазных цепей была знаменитая Лауфен-франкфуртская электропередача (1891 г.), сооруженная при активном участии Доливо-Добровольского.

С этого времени начинается бурное развитие электрификации: строятся мощные электростанции, возрастает напряжение элект­ропередач, разрабатываются новые конструкции электрических машин, аппаратов и приборов. Электрический двигатель занимает господствующее положение в системе промышленного привода.

Процесс электрификации постепенно охватывает все новые об­ласти производства: развивается электрометаллургия, электро­термия, электрохимия.

Электрическая энергия начинает все более широко использо­ваться в самых разнообразных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту.

Широкое применение переменного тока потребовало теорети­ческого осмысления и математического описания физических про­цессов, происходящих в электрических машинах, линиях электропередач, трансформаторах.

6. Зарождение и развитие электроники (первая четверть XX в.). Рост потребности в постоянном токе (электрохимия, электротран­спорт и др.) вызвал необходимость в развитии преобразовательной техники, что привело к зарождению, а затем бурному развитию промышленной электроники.

Электротехника становится базой для разработки автоматизи­рованных систем управления энергетическими и производствен­ными процессами. Создание разнообразных электронных, в особенности микроэлектронных устройств позволяет коренным образом повысить эффективность автоматизации процессов вы­числений, обработки информации, осуществлять моделирование сложных физических явлений, решение логических задач и др. при значительном снижении габаритов, устройств, повышении их надежности и экономичности.

Значительный прогресс в электронике наметился после создания больших интегральных схем (БИС), быстродействие их измеряется миллиардными долями секунды, а минимальные размеры состав­ляют 2-Змкм. Внедрение БИС привело к созданию микропроцессоров, осуще­ствляющих цифровую обработку информации по программе, и микроЭВМ.

Быстрое развитие микроэлектроники обусловило возникнове­ние и заметный прогресс новой области науки и техники — ин­форматики. Уже вначале 80-х гг. как в нашей стране, так и за рубежом ста­ли изготовлять микропроцессоры и микроЭВМ в одном кристалле. Все это дает огромный эффект в повышении надежности, сниже­нии габаритов и потребляемой энергии микроэлектронных уст­ройств, используемых в различных производственных процессах, автоматизированных систем управления, на транспорте, в быто­вых устройствах.