Матющенко В.С. Матющенко С.В. История электроэнергетики
Подождите немного. Документ загружается.
Министерство транспорта Российской федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный
университет путей сообщения»
Кафедра «Электротехника, электроника и электромеханика»
В.С. Матющенко, С.В. Матющенко
ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
Рекомендовано
Методическим советом ДВГУПС
в качестве учебного пособия
Хабаровск
Центр дистанционного образования
2010
Рецензенты:
Кафедра «Электротехника и электроника»
Тихоокеанского государственного университета
(заведующий кафедрой доктор физико-математических наук
профессор В.В. Корчевский)
Начальник производственно-технической службы
ОАО «Дальневосточная генерирующая компания»
В.М. Кабаев
М 353
Матющенко, В.С.
История электроэнергетики : учеб.
пособие / В.С.
Матющенко, С.В. Матющенко. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС,
2010. – 103 с.: ил.
Учебное пособие соответствует содержанию программы курса и
учебным планам по дисциплине «История энергетики».
Содержит краткое изложение основных этапов создания науки об
электричестве и магнетизме, показывает пути развития отдельных
отраслей электроэнергетической техники, дает информацию об их
создателях.
Предназначено для студентов младших курсов
Электроэнергетического института дневной формы обучения,
изучающих дисциплину «История энергетики».
ВВЕДЕНИЕ
Долгий и длинный путь прошла электроэнергетика в своем развитии. Все
началось еще в античные времена, когда человек впервые наблюдал
непонятные для него явления, такие, как притяжение мелких предметов
куском янтаря, потертого мехом, молнию, свечение воздуха вблизи
заостренных предметов во время грозы, притяжение некоторыми камнями
железных предметов – гвоздей, инструментов, ориентацию железных
пластин, плавающих на куске дерева или пробки, в направлении Север–
Юг. Наблюдаемые явления в то время никак не связывали между собой,
лишь гораздо позже в результате многочисленных экспериментов пришло
осознание их единой сущности.
Систематические исследования электромагнетизма начались в средние
века, и вплоть до конца XVIII в. предметом изучения были только
постоянные магниты и статическое электричество, получаемое трением –
трибоэлектричество (от греч. трибо – трение). В это время были
сделаны многочисленные важные наблюдения и открытия. Было
установлено, что причиной поведения магнитной стрелки является
магнетизм Земли; была установлена электрическая природа молнии,
обнаружено существование двух родов электричества – положительного и
отрицательного; обнаружена электропроводность одних веществ и
изолирующие свойства других; изобретен конденсатор, построены
различного вида электростатические машины, установлен количественный
закон, устанавливающий силу взаимодействия двух точечных зарядов.
На рубеже XVIII и XIX вв. было обнаружено неизвестное ранее
проявление электрических явлений – электрический ток и создан первый
источник электрического тока – гальванический элемент. Началась новая
эпоха в развитии учения об электромагнитных явлениях и их
практическом использовании.
Открытие химического действия тока привело к возникновению новой науки –
электрохимии и ее технических применений – гальванотехники и
электрометаллургии. Явление нагревания проводника электрическим током и
электрическая дуга после многолетних исследований послужили толчком к
созданию различных систем электрического освещения и изобретению
электросварки.
В 1820 г. был сделан еще один громадный шаг вперед – открыто явление
электромагнетизма. Уже первые исследования нового явления привели к
созданию фундамента новой науки – электродинамики. Возникли новые
возможности использования электричества в практической деятельности
человека. Был изобретен электромагнитный телеграф, появились
электродвигатели, стала развиваться электроизмерительная техника.
Открытие в 1831 г. электромагнитной индукции окончательно
подтвердило единую сущность всех электромагнитных явлений и
открыло дорогу к созданию электромашинных генераторов и
трансформаторов.
Наряду с созданием новой техники на протяжении всего XIX в. шли
интенсивные исследования электромагнетизма. Были экспериментально
установлены законы электрических цепей, разрабатывались различные
теоретические положения. К 70-м годам XIX в. окончательно сложилась
новая наука – классическая электродинамика.
Открытия и изобретения, сделанные на протяжении XIX в., явились
фундаментом, на котором впоследствии была построена вся
электроэнергетика.
1. ПЕРВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И
МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ
Проявления электрических и магнитных явлений известны человеку
с давних времен. Сведения о них пришли к нам из древних
литературных источников. Правда, эти сообщения – отрывисты и весьма
скудны. Древнегреческий философ Фалес Милетский, живший почти
2,5 тыс. лет назад, в своих сочинениях сообщает о свойстве янтаря,
потертого мехом, притягивать легкие мелкие предметы – пушинки,
нитки, кусочки ткани, папируса. По-гречески янтарь – электрон. Этому
названию древнейшей окаменевшей смолы обязаны своим появлением
термины «электрический», «электричество».
Не обойдено вниманием в древней литературе и атмосферное
электричество – молния и «огни святого Эльма».
Наблюдая молнию, люди заметили её «особую любовь» к
металлам.
В своей «Метрологии» Аристотель писал: «Случалось, что медь щита
расплавлялась, а дерево, его покрывающее, оставалось
невредимым». О подобных случаях писали наставник древнеримского
императора Нерона философ Сенека и римский писатель Плиний
Старший, погибший при извержении Везувия. Последний писал:
«…золото, медь, серебро, заключенные в мешке, могут быть
расплавлены молнией, а мешок не сгорит, и даже восковая печать не
размягчится».
Было замечено также свойство молнии поражать высоко стоящие и
острые предметы. Рукописи сообщают, что древнеримский правитель
Нума Помпилий знал об этом и умел делать молниеотводы,
аналогичные современным. Имеются сведения и о том, что в VIII в.
французские крестьяне для защиты урожаев от молний
устанавливали на своих полях высокие металлические и деревянные
шесты.
Во время грозы или при её приближении у заострённых и высоких
предметов – башен, корабельных мачт, деревьев, острых вершин скал, у
высоко поднятой руки, палки и даже у головы человека наблюдалось
необычное свечение воздуха в форме светящихся кисточек. Император
Гай Юлий Цезарь в своих «Комментариях Кесаря» – книге об
африканской войне – писал, что «в одну из ночей железные острия
копий пятого легиона казались огненными». Римский историк Тит Ливий
наблюдал, как из дротика одного из воинов в течение более двух часов
«исходил огонь, не сжигавший деревянных частей». Плиний Старший
также неоднократно замечал такие огни на копьях часовых. Появление
таких же огней ночью во время бури, при сильной грозе и проливном
дожде наблюдали спутники Колумба и Магеллана. Сын Христофора
Колумба писал, что при виде этого чудесного явления моряки плакали
от радости, молились и пели благодарственные гимны.
Своё название «огни святого Эльма» получили в средние века по
названию церкви святого Эльма, на башнях которой они часто
наблюдались. По своей физической природе они представляют собой
кистевой разряд – особую форму коронного разряда, возникающего
вследствие ионизации воздуха при достижении напряжённостью
электрического поля определённой величины.
С древних времён известны человеку и электрические рыбы. По сооб-
щениям Аристотеля электрический скат «заставляет цепенеть животных,
которых он хочет поймать, побеждая их силой удара, живущего в его
теле». Вероятно, поэтому древние египтяне считали священным
нильского электрического сома, изображение которого попадается на
стенах и колоннах древнеегипетских храмов. Сила его удара может быть
весьма чувствительной, ведь электрические органы рыб вырабатывают
довольно большое напряжение. Например, электрические угри способны
развивать разность потенциалов до 500 В. Говорят, что с помощью
«освежающего» удара электрических рыб древнеримский врач
Скрибоний излечивал подагру у римских патрициев.
Было замечено также свойство некоторых камней, называемых
магнитами, притягивать железные предметы. Платон наблюдал
явление, которое мы сейчас называем магнетизмом через влияние,
когда кусок железа приобретает свойства природного магнита только от
одного его присутствия, т. е. намагничивается, находясь вблизи
естественного магнита, не соприкасаясь с ним. Платон пишет, что «этот
камень (магнит) не только сам притягивает железное кольцо, он одаряет
своей силой и кольцо, так что оно, в свою очередь, может притягивать
другое кольцо, и таким образом могут висеть друг на друге множество
колец или кусков железа».
В поэме «О природе вещей» римский поэт Тит Лукреций Кар
описывает это свойство в стихах и так объясняет происхождение
слова магнит: «Камень же этот по имени месторожденья магнитом
назван был греками, так как он найден в пределах магнетов».
Магнетами в древней Греции называли жителей Магнесии –
области на северо-востоке Греции, в которой часто встречались
залежи магнетита, или магнитного железняка (31 % FeO +
69 % Fe
2
O
3
), одного из главнейших минералов железных руд,
содержащего до 72 % железа.
Плиний Старший в своей «Естественной истории» происхождение
слова магнит объясняет по-другому. Он говорит, что это название
произошло от имени волопаса (пастуха) Магнесса, заметившего, что
железные гвозди его обуви и кончик посоха притягиваются
некоторыми камнями.
Магнит был известен и в Азии. Древнеиндийские врачи
пользовались им для извлечения железных наконечников стрел из тел
раненых воинов. В китайских летописях описываются волшебные
магнитные ворота, сквозь которые не мог пройти человек, спрятавший
под одеждой оружие. В древнем Китае магнит применялся для
определения направления. В летописях есть описания простейшего
компаса, состоящего из намагниченного куска железа, плавающего на
куске пробки в глиняном сосуде с водой, и служившего указателем пути
караванам в бескрайних гобийских пустынях. В одном из музеев
хранится древнекитайский компас, напоминающий ложку (рис. 1).
В одной из старинных лет
описей
описывается история двухтысячелетней
давности о том, как китайский император
Хуанг Ти незаметно провёл свои войска в
расположение противника и разгромил
его. Ориентировать
ся в темноте и густом
тумане ему помогли изготовленные из
железа фигурки воин
ов, установленные на
повозках, с вытянутой рукой, всегда
показывающей на юг.
У китайских мореплавателей, ходивших на
своих судах в Индию и Африку, компас
заимствовали арабы, от которых он попал
в Европу. Самое раннее упоминание о
применении магнитной стре
лки в Европе
относится к 1181 г. С XIII
в. европейские
мореплаватели широко начинают
пользоваться компасом.
Длительные морские путешествия в средние века привели к
открытию двух явлений, связанных с земным магнетизмом. Во-первых,
было обнаружено, что направление магнитной стрелки не совпадает с
точным направлением на север. Открытие этого явления приписывают
Христофору Колумбу, сделанное во время его первого путешествия в
Америку в 1492 г. Объясняется оно несовпадением географического и
магнитного полюсов Земли. Угол между направлением магнитной
стрелки и географическим меридианом называется магнитным
склонением. Если северный конец стрелки компаса отклоняется к
востоку, то магнитное склонение положительное, если к западу, то
отрицательное. Колумбу была также известна зависимость магнитного
склонения от географических координат. Начиная с конца XVII в.
организуются научные экспедиции для составления специальных карт
склонений. На таких географических картах зависимость магнитного
склонения от географических координат показывается с помощью
изогон – линий одинакового склонения. Первой такой экспедицией была
экспедиция под руководством английского астронома Эдмонда Галлея в
1698 г. В 1701 г. им была опубликована первая карта магнитных
склонений. В 1544 г. было открыто магнитное наклонение,
представляющее собой в вертикальной плоскости угол, образованный
осью магнитной стрелки и плоскостью горизонта. Если северный конец
стрелки обращен вниз, то магнитное наклонение положительное, если
вверх, – отрицательное.
В средние века были обнаружены новые магнитные явления.
Арабский средневековый ученый Джабир ибн Хайан (латинизированное
имя Гебер) обнаружил явление старения магнитов. Он писал: «У меня
был магнит, поднимавший 100 драхм
железа. Я дал ему полежать
некоторое время и поднес к нему другой кусок железа. Магнит его не
поднял. В куске оказалось 80 драхм. Значит, сила магнита ослабла».
(Драхма – старинная единица веса, составляющая в разное время и в
разных странах 3–6 граммов).
С электрическими и магнитными явлениями связывались самые
невероятные фантазии и домыслы. Загадочная, таинственная сила
магнита породила множество мифов и легенд. Так, в средневековье о
магните «были известны» следующие факты:
– под хвостом Большой Медведицы имеется магнитный камень;
– приём магнита внутрь в малых дозах продлевает молодость;
– магнит открывает запоры и замки;
– днем магнит притягивает сильнее, чем ночью;
– если потереть магнит чесноком или положить рядом с ним
бриллианты, его сила исчезнет;
– если же помазать магнит кровью козла, его сила
восстанавливается;
– магнит, хранимый в рассоле из рыбы-прилипалы, обладает силой
извлекать золото, упавшее в самые глубокие колодцы;
– если положить магнит под голову спящей женщины так, чтобы
она об этом не знала, он сбросит с постели прелюбодейку;
– если держать магнит в руке, он вылечит боли в ногах и судороги;
– есть магниты, притягивающие серебро, алмазы, стекло и даже
«мясные» и «деревянные» магниты и т. п.
Разобраться в наблюдаемых фактах, мифах и легендах, отделить
зерна от плевел предстояло последующим поколениям ученых на
базе строгих научных экспериментов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие электрические и магнитные явления наблюдались в
античном мире?
2. Что такое «огни святого Эльма»?
3. Каково происхождение слова «магнит»?
4. Как в древнем мире использовались магнитные свойства
железа?
5. Что такое магнитное склонение и магнитное наклонение? Когда
они были обнаружены?
6. Что такое старение магнита? Кто его впервые наблюдал?
2. ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНЕТИЗМА И СТАТИЧЕСКОГО
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
2.1. Первые эксперименты и первые открытия
8 августа1269 г. в военном лагере при осаде небольшого итальянского
города Люцера было написано «Послание о магните рыцаря Пьера де
Марикур по прозванию Перегрин к рыцарю Сигеру де Фукокур». В своем
письме этот профессиональный военный сообщает о тех сведениях,
которые были ему известны о магнитах ранее, и о тех, которые он
обнаружил в опытах сам.
Перегрин подробно описывает свойства «магнитного камня»,
вводит понятия северного и южного полюса и показывает, как их
находить, как намагнитить иглу и другие железные предметы. Он
пишет, что при намагничивании та сторона железа, которая
соприкасалась с северным полюсом магнита, станет обладать южным
полюсом и наоборот, причем намагничивание может осуществляться
и на расстоянии. Он определяет характер взаимодействия полюсов
магнита: «Северная сторона влечется к южной и обращает в бегство
северную». Разламывая магнит и вновь соединяя его части, он
показывает неотделимость магнитных полюсов друг от друга. Дает
подробное описание свойства плавающего магнита показывать
направление «к звезде, которую называют мореходной»;
обнаруживает действие магнитных сил через стекло и воду;
описывает способы изготовления магнитных стрелок; снабжает
компас градуированной шкалой.
Полученные Перегрином результаты были до того
впечатляющими, что его современник, один из крупнейших ученых
того времени философ Роджер Бэкон, назвал его владыкой
экспериментов.
Последователем Перегрина в исследованиях магнитных явлений
стал придворный врач английской королевы Елизаветы У. Гильберт.
Исследованиями магнетизма или, говоря языком того времени,
«магнитной философией» он начал заниматься, подчиняясь велению
времени – необходимостью улучшить компасное дело, в развитии
которого нуждался английский флот, разбивший 8 августа 1588 г.
«великую армаду» Испании и вышедший на просторы мирового
океана. В 1600 г. он опубликовал книгу «О магните, магнитных телах и
о большом магните – Земле. Новая физиология, доказанная
множеством аргументов и опытов». В этом сочинении, содержащем
описания более 600 опытов, Гильберт сообщает о тех открытиях,
которые он сделал, проводя эксперименты с магнитами.
Во-первых, он подтвердил уже известные к тому времени факты:
существование двух полюсов магнита, два вида взаимодействия
между ними – притяжение и отталкивание, намагничивание тел, а
также то, что, распиливая магнит на две части, нельзя отделить один
полюс от другого, что не может существовать магнит с одним
полюсом.
К этим фактам он прибавил новые открытия: образование еще двух
полюсов при делении магнита на две части, намагничивание магнитным
полем Земли железных проволок и сильно нагретого куска железа при
его остывании, исчезновение магнитных свойств при нагревании до
определенной температуры (впоследствии эта температура 588 °C была
названа точкой Кюри), влияние постукивания по магниту молотком на
степень его намагниченности, экранирующее действие железа. Он
установил, что в своих различных местах магнит обладает различной
притягательной силой, и на полюсах эта сила наибольшая. С помощью
простых опытов Гильберт показал наличие магнетизма через влияние,
когда железные предметы вблизи магнита без какого-либо
прикосновения к нему становятся магнитными.
Гильберт проверял обоснованность мифов и легенд о магнитах. Он
опроверг широко распространенное мнение о влиянии драгоценных
камней на магнитные свойства, показав, что они не оказывают никакого
действия на магнит. Как врач он проводил исследования действия
магнита на человеческие заболевания, изучал действие магнитного
порошка на организм человека при приеме его внутрь. Он сначала
считал, что «магнитное железо возвращает красоту и здоровье
девушкам, страдающим бледностью и дурным цветом лица, так как оно
сильно сушит и стягивает, не причиняя вреда». Но позже он писал, что
магниты при приеме внутрь «вызывают мучительные боли во
внутренностях, чесотку рта и языка, ослабление и сухотку членов».
Изготовив из магнитного железняка шар, «терреллу» (лат. terrella
маленькая Земля, «Землица»), и исследовав ее с помощью магнитной
стрелки, Гильберт обнаружил у нее сильное сходство с Землей.
«Террелла», так же, как и «терра» (Земля), имеет два магнитных
полюса – северный и южный, экватор, магнитное наклонение. Это
дало Гильберту основание провозгласить Землю большим магнитом и
утверждать, что поведение магнитной стрелки обусловлено действием
магнитных полюсов Земли, а не влечением ее «к северным звездам».
Правда, еще до Гильберта лондонский «мастер компасов» Р. Норман,
в 1576 г. изготовивший инклинатор – прибор для обнаружения
магнитного наклонения, высказывал предположение, что причина
отклонения магнитной стрелки кроется в Земле.
Много времени Гильберт посвятил изучению и электрических
явлений. По существу, он явился основателем науки об
электричестве, остававшейся до него практически на уровне знаний
древних, которым было известно лишь то, что натертый янтарь
притягивает мелкие предметы.
Экспериментируя с различными материалами, Гильберт
установил, что электризоваться способен не только янтарь, но и