Электричество прочно вошло в нашу жизнь, и теперь в случае кратковременного отсутствия электроснабжения наступает “конец света” не только в переносном, но и в прямом смысле. Привыкнув к благам цивилизации, которые стали возможны благодаря применению электрической энергии, современным людям трудно понять, как жили наши предки.
При мысли об этом в голове возникает картина темной пещеры, внутри которой горит костер. Древний человек, одетый в шкуру, задумчиво смотрит на огонь и подбрасывает в него сухие ветки. Рядом сидят дети, внимательно следят за его действиями и слушают рассказы об огненном цветке.
Многие читатели наверняка удивятся, если узнают, что электричество было известно еще в далекой древности. Причем точно ответить на вопрос, кто изобрел электричество, невозможно.
Наши предки уже знали о возможностях некоторых видов рыб испускать электрические разряды, которые обездвиживали жертву. А чего стоит находка “багдадской батарейки” — предположительно первого химического источника тока, работавшего более 2,5 тысячи лет назад? Вперед, читатель, попробуем разобраться в запутанной истории применения электричества.
История открытия
Атмосферное электричество существовало задолго до появления человека. Оно вызывало пожары и представляло непосредственную опасность для древних людей. Увидев приближение грозы, наши предки принимали ее за гнев грозных богов и благоразумно старались не выходить из укрытий.
Неизвестная сила привлекала, поэтому зная об опасности электричества, люди все же старались применять его для своих целей. До нашего времени, к большому сожалению, дошло мало данных. Поэтому ответ на вопрос, кто первым придумал использовать электричество, похоже, навсегда останется скрытым во тьме истории.
Наблюдения в древности
Наши предки знали о необычных свойствах некоторых видов рыб. В древнеегипетских текстах, которые датируются 2750 годом до нашей эры, встречается упоминание о рыбах, способных создавать электрические разряды, — “громовержцах Нила”.
На барельефе, созданном древним художником примерно в 2300 году до нашей эры, представлена сцена ловли рыбы. Среди изображений рыб на нижней части барельефа можно увидеть электрического сома.
Древнеримский ученый Плиний Старший описывал необычные возможности электрических сомов и скатов. Он упоминал о способности разрядов, создаваемых этими животными, перемещаться по проводящим ток объектам.
Арабские, древнеримские и древнегреческие врачи использовали способности электрических рыб при устранении подагры и головной боли. Способ лечения заключался в том, что больной прикасался к ним и получал мощный электрический разряд.
Известный древнеримский ученый Гален, живший во 2 веке нашей эры, настолько успешно применял этот метод для терапии, что император Марк Аврелий сделал его своим врачом.
Заслуживают внимания барельефы древнеегипетского храма богини Хатхор, построенного более 4,5 тысячи лет назад. Изображенные на стенах предметы похожи на газоразрядные электрические лампы и дают основания предполагать, что они использовались для освещения храма.
Большинство египтологов придерживаются противоположной точки зрения. Они опровергают это открытие и утверждают, что для изготовления таких ламп помимо мощного источника тока требовались вакуумные насосы, проводники тока, изоляторы и развитое стеклодувное производство.
Фалес, философ и математик из древнегреческого города Милета, в 600 г. до нашей эры опытным путем установил, что янтарь при натирании мехом животных притягивает к себе разные легкие предметы. Из-за малого количества исследований и низкого уровня развития науки того времени суть явления полностью не была изучена.
Необычная особенность янтаря объяснялась воздействием божественных сил. Кстати, корень слова «электричество» связан с греческим названием янтаря — электрон.
Немецкий археолог Вильгельм Кениг в 1936 г. в окрестностях Багдада, столицы современного государства Ирака, обнаружил артефакт возрастом более 2 тысяч лет. Это остатки глиняного сосуда, длина которого составляла 13 см. Верхняя часть сосуда была покрыта битумом. Внутри находился стальной стержень, вставленный в медный цилиндр.
Ученый предположил, что этот сосуд является химическим источником электрического тока при заполнении раствором кислоты или щелочи. Догадку Кенига опытным путем подтвердили многие ученые. Так, в 1947 г. американским ученым-физиком была изготовлена копия сосуда. В качестве электролита он использовал сульфат меди. Напряжение, создаваемое батареей, составило 2 В.
Конечно, у теории возможности создания древними людьми источников тока нашлись критики. Они утверждают, что оборудование, которое могло бы работать от электрического тока, не найдено. Устройство батареи, при котором вся верхняя часть покрывалась слоем битума, не предполагает его использования в качестве источника тока, а наоборот, схоже с сосудами для хранения свитков.
Шарль Франсуа Дюфе и типы зарядов
В конце XVI века ученые начали интересоваться античными трудами. Английский придворный врач Елизаветы I и по совместительству ученый-физик Уильям Гилберт ввел в широкое обращение термин “электричество” в 1600 г.
Этим термином ученый описывал силу, создаваемую разными веществами при трении друг о друга. Он также является автором научного трактата. В нем Гилберт предложил рассматривать Землю как большой магнит, полюсы которого совпадают с географическими.
Гилберт был первым ученым, который разделил понятия магнетизма и статического электричества. Он является создателем простейшего прибора, названного “версориум”. Устройство предназначалось для определения присутствия электрического поля.
С его помощью ученый доказал, что при натирании возможность притягивать к себе предметы небольшого веса свойственна не только янтарю, но и другим материалам. Также он впервые описал изолирующие и экранирующие свойства разных материалов.
В 1663 г. бургомистр немецкого города Магдебурга Отто фон Герике продолжил исследования Уильяма Гилберта и построил электростатическую машину. С ее помощью изучались эффекты притягивания и отталкивания разных тел.
Машина состояла из шара, внутри которого был закреплен стальной стержень. Шар изготавливали, заливая расплавленную серу в стеклянный сосуд. После того как сера застывала, сосуд разбивали.
Шар устанавливался на специальном креплении. Вращение шара производилось при помощи специальной рукоятки. Прислонив к нему сухую руку, можно было наблюдать, как легкие тела под воздействием статического электричества притягиваются или отталкиваются. Также ученый доказал, что статические заряды могут передаваться на небольшие расстояния по льняной нити.
Опыты фон Герике по передаче электричества на расстояние продолжил английский ученый Стивен Грей. Он наблюдал за тем, как пробка, которая закрывает стеклянную трубку, начинает притягивать легкие предметы, если трубку потереть.
Присоединив к пробке шелковую нить, ученый смог добиться того, что максимальное расстояние, на которое смог быть передан заряд электричества, составило 800 футов.
Причем было установлено, что на расстояние оказывает влияние не толщина веревки, а материал, из которого она изготовлена. Также ученый определил, что электрические заряды могут передаваться путем электростатической индукции без прикосновения стеклянной трубки к веревке. Грей установил, что вещества делятся на проводники электричества и диэлектрики.
Французский ученый Шарль Дюфе, изучив опыты предшественников, в 1733 г. выявил, что в природе существует два вида электрических зарядов, или, как он их называл, “смоляное и стеклянное электричество”. Причем электричество разного рода может притягиваться, а одного вида отталкивает себе подобное.
Следующим этапом в изучении электричества стало изобретение конденсатора, устройства для накапливания электрических зарядов, в 1745 г. в голландском городе Лейдене.
История его открытия сообщает о двух ученых, которые обнаружили этот эффект независимо друг от друга. Первым, кто открыл эффект накопления электрических зарядов, стал Эвальд фон Клейст.
Открытие было сделано случайно, когда он заряжал от электрической машины стальной гвоздь. Решив, что гвоздь достаточно заряжен, ученый стал доставать его из банки, которую держал другой рукой. Прикоснувшись к гвоздю, он получил заметный удар электрическим током.
В результате была открыта возможность накопления электричества. Немного позже его опыт повторил профессор Питер фон Мушенбрук. Он использовал налитую в стеклянный сосуд воду и погружал в нее медную проволоку. Когда ученый попытался прикоснуться к заряженному медному проводнику, он получил сильный электрический удар.
Впоследствии фон Мушенбрук доложил об открытии научному сообществу. Полученное устройство стало называться “лейденская банка”.
Примерно в это же время в России изучением атмосферного электричества занимались такие великие ученые, как Михаил Ломоносов и Георг Рихман. Для исследования явления ими был сконструирован громоотвод. С его помощью ученые заряжали “лейденскую банку”. Также они изобрели прибор для измерения электричества — “электрический указатель”.
К сожалению, в 1753 г. во время одного из экспериментов с атмосферным электричеством Георг Рихман трагически погиб из-за удара молнии.
Бенджамин Франклин и воздушный змей
Продолжая исследовать природу того, как появляется электричество, американский ученый и известный политический деятель Бенджамин Франклин ввел определение положительного и отрицательного зарядов.
В Филадельфии в 1752 г. он проводил опыты по изучению электрических явлений в атмосфере. Суть заключалась в запуске воздушного змея в грозовое облако. Он состоял из стальной рамки, обтянутой шелковой тканью. Змей был привязан к шелковой ленте.
На конце ленты находился металлический ключ. Зная о смертельной опасности, возникающей при ударе молнии, Франклин не стал ждать момента удара. Вместо этого он запустил змея в облако и обнаружил, что тот может собрать электрические заряды.
Также он смог описать принцип действия громоотвода и для повышения его эффективности предложил делать верхнюю часть заостренной. При помощи громоотвода ученому удалось доказать, что молния имеет электрическую природу.
Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта — открытия в Италии на рубеже 18-19 веков
Итальянский ученый Луиджи Гальвани в 1771 г. во время проведения опытов по изучению сокращения мышц обнаружил возможность препарированных лапок лягушки сокращаться под действием электричества. Это случайное открытие положило начало новому направлению науки — электрофизиологии.
В опубликованном им в 1791 г. трактате ученый описал наличие в мышцах животных электрического тока. Само явление получило название в его честь — гальванизм. Гальвани предположил, что мышцы животных являются подобием лейденской банки и могут накапливать электрические заряды, которые передаются по нервам.
Последователь Луиджи Гальвани, его племянник, профессор анатомии Джованни Альдини приобрел известность тем, что сделал из открытия своего дяди жуткое зрелище. Вместо препарированной лягушки для своих опытов он использовал трупы казненных преступников. Зрители могли видеть, как тело двигается, открывает глаза и корчит гримасы. После такого шоу некоторые длительно страдали расстройством психики.
В 1785 г. французский ученый Шарль Кулон сформулировал закон, который описывал силу взаимодействия между электрическими зарядами, зависящую от расстояния между ними. Работа по изучению электрических явлений стала точной наукой.
Опыты с электричеством Луиджи Гальвани вдохновили его соотечественника, ученого Алессандро Вольта, на проведение экспериментов с “животным электричеством”. Вольта пришел к выводу, что такие явления имеют отношение к замкнутой электрической цепи, состоящей из двух разных видов металлов и жидкости.
В 1800 г. он изобретает химический источник тока — “Вольтов столб”. Устройство представляло собой диски из разных металлов, между которыми помещались бумажные диски, пропитанные щелочными растворами.
Проводя опыты с лягушачьими лапками, ученый пришел к выводу, что величина их сокращений будет зависеть от вида металлов. При прикосновении к ним проводниками из металлов одного типа эффект не наблюдается. Благодаря этому исследованию он пришел к пониманию разницы потенциалов.
Продолжая опыты с электричеством, Вольта пришел к открытию того, что нервы имеют большую возбудимость по сравнению с мышцами. Также ученый определил, что органы зрения и вкуса человека чувствительны к воздействию электрического тока.
Используя открытие Вольта, российский ученый Василий Петров в 1802 г. собрал большую батарею, состоявшую из 2100 пар медных и цинковых дисков, между которыми находились диски из картона, пропитанные нашатырным раствором.
Диски были уложены в деревянные ящики и подключены последовательно. Общая длина батареи составила около 12 метров. Создание такого мощного источника тока позволило открыть электрическую дугу.
На практике была доказана возможность применения дуги для разных целей:
- Плавки и сварки металлов.
- Восстановления металлов из руды.
- Освещения.
Петрову принадлежит применение термина “сопротивление”. Он описывал им характеристики вещества, препятствующие движению электрического тока. Проведение опытов по прохождению электрического тока через оксиды металлов и другие вещества позволило описать процессы электролиза.
Магнитное поле — труды Эрстеда, Ампера и Фарадея
В 1820 г. датский ученый-физик Ханс Эрстед смог впервые экспериментально доказать, что электрические и магнитные явления имеют связь. При демонстрации нагрева проволоки током, получаемым при подключении к вольтову столбу, было замечено, что стрелка компаса отклонилась.
Впоследствии ученый смог опытным путем доказать появление магнитных свойств у платины, золота, серебра, латуни, свинца, железа при пропускании электрического тока. Эрстед применял разные материалы для экранирования, но стрелка продолжала отклоняться. Причем она не отклонилась, когда ученый установил проволоку, по которой проходил ток в вертикальное положение.
Опираясь на открытия Эрстеда, французский ученый Андре Мари Ампер в 1821 г. вывел правило, описывающее действие магнитного поля. Впоследствии его назовут теоремой Ампера. Ученый смог объединить электричество и магнетизм в одну теорию электромагнетизма. Им было установлено, что связь магнитного поля и электричества не наблюдается при статическом электричестве.
В 1822 г. ученый открыл наличие магнитного эффекта у соленоида при протекании по нему электрического тока. Ампер предложил использовать для усиления магнитного поля стальной сердечник, помещаемый внутрь соленоида.
Открыть взаимосвязь между сопротивлением электрической цепи, силой тока и напряжением удалось в 1826 г. немецкому физику Георгу Ому. Это оказало огромное влияние на развитие науки и известно в наше время как закон Ома.
В 1830 г. немецкий ученый Карл Гаусс сформулировал основную теорему теории электростатического поля.
Английский ученый-физик Майкл Фарадей стал основоположником учения об электромагнитном поле. В 1831 г. им была открыта электромагнитная индукция — появление электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока, который через него проходит.
На основе своего открытия ученый создал первый электрогенератор и электродвигатель. Ему принадлежит мысль, что электрические силы переносятся атомами материи.
Одним из основоположников электротехники по праву считают российского физика Эмилия Ленца. В 1834 г. он открыл закон индукции, определяющий направление индукционного тока, — “Правило Ленца”. Также ученым был сформулирован закон, определяющий количество тепла, выделяемое проводником при протекании по нему тока, и принцип обратимости электрических машин.
Вклад Максвелла
После открытия электромагнитной индукции в ученом мире появилось два разных взгляда на происхождение электрических и магнитных явлений.
Большая часть ученых поддерживала концепцию дальнодействия, которая считала электромагнитные силы подобием сил гравитационного притяжения. Майкл Фарадей придерживался идеи силовых линий, соединяющих положительные и отрицательные заряды.
Решить задачу построения математической теории, объединяющей концепции силовых линий и дальнодействия, удалось британскому ученому-физику Джеймсу Максвеллу. Он вывел уравнения, определяющие взаимодействие зарядов и токов, в 1873 г.
Согласно полученным уравнениям выяснилось, что изменяющееся со временем электрическое поле приводит к появлению магнитного поля. Последнее, в свою очередь, приводит к появлению электрического поля. В результате такого взаимодействия в пространстве происходит распространение электромагнитных волн со скоростью света.
Распространение и становление электротехники в конце 19 – начале 20 века
Становлению электротехники предшествовали исторические открытия в области электродинамики и электромагнитной индукции. Постепенно был сформирован весь арсенал способов расчета электрических цепей постоянного тока.
Ограниченные возможности тепловых двигателей уже не соответствовали растущим потребностям промышленности. Выход из такого кризиса был найден благодаря использованию электрических машин. Их применение позволило за несколько десятилетий совершить революцию в промышленном производстве.
Период с 1821 по 1834 гг. являлся начальным в разработке электродвигателей. Он был тесно связан с разработкой Фарадеем устройств, демонстрирующих возможности преобразования электрической энергии в механическую.
Вторым этапом считается период с 1834 по 1860 гг. В это время появляются электродвигатели с явнополюсным якорем. Созданный в 1834 г. русским изобретателем Борисом Якоби прибор был первым в мире электродвигателем, в котором рабочий вал вращался. Прежние конструкции предполагали только получение колебательного или возвратно-поступательного движения якоря.
Конструкция этого двигателя постоянного тока предполагала наличие двух групп электромагнитов. Подвижные электромагниты (3) были установлены на роторе (2), неподвижные – на статоре (1). Изменение полярности достигалось за счет коммутатора (4). Вал (5) вращался со скоростью 40 об/мин. Мощность первого двигателя составила 15 Вт. Питание осуществлялось постоянным током от гальванической батареи (6).
Третьим этапом развития электродвигателей считается период с 1860 по 1887 гг. В это время разрабатываются конструкции двигателей с кольцевым неявнополюсным якорем и постоянным вращающим моментом.
В 1888 г. ученый и изобретатель сербского происхождения Никола Тесла получает патент на практическое применение системы двухфазного переменного тока и двухфазного электродвигателя.
Российский ученый Михаил Доливо-Добровольский, усовершенствовав двухфазную систему тока, в 1889 г. получает патент на асинхронный двигатель, работающий от трехфазной системы передачи переменного тока.
Отличительная особенность этой системы – необходимость всего трех проводов для передачи электричества. В 1889 г. ученым был изобретен и запатентован трехфазный трансформатор.
Трехфазная система позволила решить проблему передачи электричества на большие расстояния с наименьшими потерями. В 1891 г. во время проведения международной выставки ученый построил линию электропередачи на 170 км. Это было рекордное расстояние для того времени.
Первые электроприборы
В 1872 году русский ученый Александр Лодыгин подает заявку на патент лампы накаливания с угольным стержнем и получает его в 1874 г.
Такими лампами было впервые осуществлено электрическое освещение Литейного моста в Санкт-Петербурге в 1879 г.
Из-за высокой стоимости и небольшого количества света вместо ламп накаливания стали применяться свечи Яблочкова. Патент на свое изобретение русский ученый Павел Яблочков получил в 1876 г. в Париже.
Вместо нити накаливания источником света в ней выступала электрическая дуга, которая горела между двумя угольными стержнями. Стержни были разделены изолирующей перегородкой, а на верхней части закреплялась тонкая проволока.
При включении поволока перегорала и зажигалась дуга. Свеча давала ровный и яркий свет в течение 1,5 часа. Для поддержания горения дуги не требовалось применения механических регуляторов.
Позднее Яблочков усовершенствовал конструкцию свечи и смог избавиться от ее главного недостатка — невозможности повторного включения. Для этого он стал добавлять в изолирующий материал соли разных металлов, благодаря чему также смог менять оттенок дуги.
к содержанию ↑Благодаря простой конструкции свеча Яблочкова имела меньшую стоимость и была более удобной в эксплуатации, чем лампа накаливания. Осветительные приборы со свечами Яблочкова установили сначала в Париже, затем в Лондоне, а впоследствии и в других городах мира.
Когда появилось в домах и где
Идея перехода с газового и керосинового на электрическое освещение овладела массами в конце 19 века. В это время американцам первым удалось осуществить ее.
В 1879 г. Эдисон продемонстрировал систему освещения при помощи электричества, которая включала лампу накаливания с цоколем, имеющим винтовую резьбу, патрон, штепсельные розетку и вилку, выключатель, предохранители и электросчетчик. В 1906 г. Эдисон начал производство ламп накаливания с вольфрамовой нитью.
В 1882 г. в Нью-Йорке была открыта электростанция “Перл Стрит”, на которой электричество вырабатывалось при помощи шести паровых динамо-машин. Электроэнергия использовалась для освещения целого района Нью-Йорка площадью 2,5 км2.
Уже в конце 19 века в продаже появляются первые электрические бытовые приборы: чайник, кофеварка, электродрель, электроплита, бытовой холодильник, вентилятор и т. п.
к содержанию ↑Развитие электричества в России и ГОЭЛРО
Распространению электрической энергии в России способствовало создание Особого отдела Русского технического общества. В его состав вошли ученые Яблочков, Лодыгин и Чиколев.
Стараниями общества было организовано электрическое освещение улиц Москвы и Санкт-Петербурга. В Петербурге дуговыми лампами освещали Большой театр и Михайловский Манеж. В Москве обеспечили электрическое освещение площади перед Храмом Христа Спасителя.
По причине высокой стоимости и отсутствия рядом электростанций электрическое освещение в основном применялось в производственных зданиях, магазинах и общественных местах. В жилых домах оно считалось редкостью.
Несмотря на то что в стране отсутствовала государственная поддержка, до 1914 г. темпы роста применения электрической энергии были очень высокими. К сожалению, после начала Первой Мировой войны темпы электрификации значительно снизились, а после Революции и Гражданской войны электроэнергетика пришла в полнейший упадок.
В 1920 г. создается комиссия ГОЭРЛО, целью которой являлась разработка плана по электрификации страны. Под председательством Кржижановского к работе привлекли больше 200 человек.
План был перевыполнен к 1931 г. Количество выработанной электроэнергии в 7 раз превысило объемы дореволюционной выработки. Число введенных в работу электростанций составило 40 штук.
к содержанию ↑Заключение
Выше указаны только наиболее важные этапы развития применения электрической энергии. Всю историю использования электричества уместить в рамках одной статьи невозможно.
Предыдущая
Загрузка...
