Матющенко В.С. Матющенко С.В. История электроэнергетики
Подождите немного. Документ загружается.
вторичных обмоток. Этой же цели
служило устройство,
позволяющее выдвигать и
вдвигать сердечники катушек.
Используя созданный ими
трансформатор, Голяр
и Гиббс
впервые в крупном масштабе
осуществили передачу
электрической энергии
переменным током на
расстояние. В 1883
г. они
обеспечили электроэнергией
осветительные установки четырех
станций метрополитена. Длина
первичной линии составляла
23 км при напряжении 1,5
кВ.
Величина передаваемой
мощности составляла 15 кВА.
В
1884
г. на выставке в Турине по
линии длиной 40
км
передавалась мощность 20
кВт
при напряжении 2 кВ. В 1885
г.
ими была построена
электростанция переменного
тока мощностью 160
кВА.
Энергия ра
спределялась по
двум линиям длиной 2
км каждая
при напряжении 1,2
кВ.
Существенным недостатком
трансформатора Голяра и
Гиббса была незамкнутость его
магнитной системы.
Первый трансформатор с замкнутой магнитной системой был
построен в Англии в 1884 г. братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами.
Его сердечник набирался из стальных полос или проволок. На
сердечнике, чередуясь между собой, размещались катушки первичной и
вторичной обмоток.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие существовали схемы передачи энергии на расстояние?
2. Кто впервые проводил опыты передачи электрической энергии
на расстояние?
3. Какие проблемы существовали при передаче энергии
постоянным током?
4. Как Яблочков предлагал осуществлять распределение
электрической энергии?
5. Какими были конструкции первых трансформаторов?
15. СОЗДАНИЕ СРЕДСТВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
15.1. Изобретение телеграфа
Одним из факторов промышленного и
общественного развития является наличие
совершенных средств связи, обеспечивающих
быструю и надежную передачу сообщени
й на
большие расстояния. С древних времен для
этих целей использовались акустические
(колокол, рупор, барабан) и оптические
(костер, факел) средства. В конце XVIII
в.
К. Шапп во Франции и И.П.
Кулибин в России
создали оптический (семафорный) телеграф
(рис.
70), основанный на зрительном
восприятии сигнала и на передаче его на
следующую промежуточную станцию.
Посредством кода можно было передавать
любой текст.
В практике передачи информации это был
значительный шаг вперед, однако этот
телеграф работал сравнит
ельно медленно,
так как по условиям самого процесса зрения
сигнал проходил через большое количество
промежуточных станций, расположенных на
небольших расстояниях друг от друга. Кроме
того, он полностью зависел от погодных
условий. При тумане или в ночное в
ремя, в
условиях ограниченной видимости действие
оптического телеграфа практически
прекращалось.
В конце XVIII – начале XIX
в., когда уже
были достаточно хорошо изучены свойства
электричества и обнаружена его способность
распространяться с большой скорость
ю по
металлической проволоке, возникла идея
применения электричества для передачи
сигналов.
Первые электрические телеграфы по
принципу действия можно было разделить на
три типа: электростатические,
электрохимические и электромагнитные.
Впервые предложение
об устройстве
электростатического телеграфа было
опубликовано в 1753
г. в Шотландии
анонимным автором С.
М. Он предлагал
повесить на изоляторах провода в количестве,
равном числу букв алфавита, и посылать по
соответствующему проводу электрический
заряд, по
д действием которого на приемном
конце к наэлектризованному шарику
притянется бумажка с обозначенной на ней
буквой. Попытку осуществить подобный
телеграф предпринял испанец Ф. Сальва,
проложивший в 1795
г. линию между Мадридом
и Аранхуэсом.
Открытие электрического тока и явления электролиза привело к
появлению электрохимического телеграфа. В 1802 г. Сальва построил
телеграф, приемник которого состоял из отдельных сосудов (по числу
букв алфавита), в каждом из которых помещалась в воде пара
электродов с подключенными к ним проводами линии. Замыкание той
или иной пары проводов на вольтов столб на передающей станции
вызывало выделение пузырьков газа в сосуде, помеченном
соответствующей буквой, на приемной станции.
В 1807 г. немецкий ученый С.Т. Земмеринг в Мюнхене изготовил
аналогичное устройство. Его приемная часть состояла из общей
ванны с водой и помещенных в нее 25 электродов, соединенных
проводами с вольтовым столбом на передающей станции. В 1811 г. он
усовершенствовал свой телеграф, сократив число проводов до
десяти, один из которых был вызывным и один обратным. Комбинируя
посылки тока, т. е. применяя кодировку сигналов, он смог по 8
линейным проводам передавать 28 различных знаков. В этом
аппарате можно было посредством особого переключателя режима с
передачи на прием использовать одни и те же провода для работы в
обоих направлениях.
Описанные системы, как электростатическая, так и
электрохимическая, применения не нашли. Требуя большое
количество проводов, они были очень громоздкими и крайне
неудобными в эксплуатации из-за серьезных трудностей чтения
сигналов, имели малую скорость передачи информации,
характеризовались низкой надежностью и высокой вероятностью
ошибок. Только открытие магнитного действия тока сделало
возможным практически реализовать идею относительно простого и
удобного в эксплуатации телеграфа. Вместе в тем, создание
электростатического и электрохимического телеграфов сыграло
положительную роль. При их конструировании были найдены решения
многих технических проблем: созданы клавишный переключатель и
коммутационные устройства, решена задача по использованию двух
направлений тока, применены вызывной и обратный провода,
улучшена изоляция проводов. Это значительно облегчило разработку
и создание электромагнитного телеграфа, который позволил
полностью решить проблему телеграфии.
Идею электромагнитного телеграфа высказывал еще Ампер. В
октябре 1820 г. в докладе Парижской академии наук он объявил о
возможности создания телеграфа, в котором источником тока будет
вольтов столб, а индикатором получения сигнала на приемной
станции сможет стать магнитная стрелка. Говоря о возможной
конструкции телеграфа, Ампер предлагал взять «столько проводников
и магнитных стрелок, сколько имеется букв, помещая каждую букву на
отдельной стрелке». Однако сам Ампер свою идею не осуществил.
Потребовалось некоторое время для того, чтобы найти реальный путь
к созданию телеграфа, основанного на этой идее.
Первый пригодный для эксплуатации электромагнитный телеграф (рис.
71) был построен в 1829 г. русским ученым П.Л. Шиллингом, одним из
основателей военной электротехники (в 1812 г. он создал первый
подводный кабель и специальный электрический запал для взрыва
подводных мин).
Рис. 71. Электрическая схема телеграфа Шиллинга
Передатчик в его телеграфе имел
восемь пар клави
ш, белых и чёрных. Шесть
пар служили для передачи текста, одна –
для вызова приемной станции и одна –
для
замыкания обратного провода, общего для
всех прямых проводов. От каждой пары
параллельно соединенных клавиш отходил
один линейный провод, по которому
при
нажатии белой клавиши протекал ток одного
направления, а при нажатии черной –
другого. Для передачи одного знака в
соответствии с кодом нажималась
комбинация клавиш на одном или
нескольких прямых проводах и обратном,
причем все нажатые клавиши должны
быть
одного цвета.
На приемной станции устанавливалось
шесть
мультипликаторов (рис. 72), по
одному на провод, каждый из которых
состоял из двух аста
тически
расположенных магнитных стрелок,
одна
из которых помещалась внутри соленоида,
другая – вне его.
Стр
елки вместе с небольшим
картонным диском диаметром около
четырех сантиметров жестко крепились на
стержне, подвешенном на
шелковой нити к
кронштейну.
Одна сторона диска была
окрашена в белый цвет, другая – в
черный.
При нажатии соответствующих клавиш на
пер
едающей станции электрический ток
поступал в катушки мультипликаторов,
вызывая поворот магнитных стрелок,
вместе с которыми поворачивались и
сигнальные диски. Телеграфист,
принимающий сообщение, видел
либо черную, либо белую сторону диска. Сигнальный диск
поворачивался к наблюдателю стороной, цвет которой совпадал с
цветом нажатых клавиш. Если ток в катушку не поступал, то
телеграфист видел ребро диска. Ниже мультипликатора к стержню
крепилось демпфирующее устройство для гашения колебаний,
состоящее из металлической пластинки, опущенной в чашку с ртутью.
Кроме шести информационных проводов, к приемной станции
подходили еще два провода. Один служил для обратного тока, а
другой подключался к вызывному мультипликатору, который
соединялся со звонком.
Для передачи всех букв русского алфавита по шести проводам
Шиллинг разработал специальную телеграфную азбуку, создав
различные типы кодов. Каждой букве алфавита соответствовала
определенная комбинация из черных и белых кружков.
В другом варианте телеграфа, имеющего только одну магнитную
стрелку, Шиллинг применял более сложный код; буквы и цифры
передавались посредством одного или нескольких сигналов,
последовательно посылавшихся по одной и той же паре проводов.
Первая публичная демонстрация его телеграфа состоялась в
Петербурге в 1832 г. С 1836 г. правительственная комиссия более
года проводила испытания экспериментальной телеграфной линии,
проложенной вокруг здания Главного адмиралтейства в Петербурге и
соединявшей аппараты, установленные в отдаленных помещениях
здания. В мае 1837 г. правительство поручило Шиллингу устройство
телеграфной линии между Петергофом и Кронштадтом. При
разработке проекта подводной части линии Шиллинг впервые
предложил для изоляции подводного кабеля использовать каучук. Он
указал также на возможность использования воды или земли в
качестве обратного провода. Эта линия, однако, не была проложена в
связи с внезапной смертью изобретателя.
К идее электромагнитного телеграфа обращались многие ученые и
изобретатели как в России, так и за рубежом Их работы шли в
направлении повышения надежности, увеличения дальности передачи,
уплотнения телеграфной линии, автоматической записи принятого текста.
Было разработано и построено большое количество различных систем.
В 1833 г. немецкими учеными К.Ф. Гауссом и В.Э. Вебером был
построен телеграф, соединявший физический кабинет в Геттингенском
университете с обсерваторией. Основной частью их телеграфа служил
магнитометр, состоящий из магнитного стержня длиной более 1 м и
весом около 10 кг, подвешиваемого на прочном шелковом шнуре
внутри соленоида диаметром около 1,5 м. Телеграф позволял
передавать сигналы из одного пункта в другой, но из-за громоздкости
его деталей оказался непригоден для эксплуатации и практического
применения не нашел.
В 1837 г. в Англии усовершенствованная Ч. Уитстоном система
телеграфа Шиллинга стала применяться на железных дорогах.
В 1836 г. американский физик Д. Генри построил телеграф,
который действовал на территории Принстонского университета. В
качестве приемника сигналов он использовал электромагнит, который
при протекании тока по его катушке притягивал специальный рычажок.
Тот же принцип приема
сигналов использовал
американский изобретатель,
художник по профессии,
С.
Морзе, который после
нескольких лет работы
предложил в 1837
г.
удач
ную конструкцию
телеграфа, получившую
широкое распростране
ние
из-за ее простоты и удоб-
ства телеграфной азбуки
(рис. 73).
В телеграфе Морзе при
замыкании ключа 2
на
передающей станции
электрический ток от
батареи 1
поступал в
обмотку электромагнита
3
на
приемной станции,
который приводил в
движение якорь 4
с
укрепленным на нем
пишущим колесиком 5.
Смоченное краской
колесико прижималось к
непрерывно
передвигающейся ленте 6
и
оставляло на ней короткий
(точка) или длинный (тире)
след в зависимости от
длител
ьности нажатия
ключа. Морзе разработал
специальный телеграфный
код, состоящий из
комбинаций точек и
тире,
получивший впоследствии
его имя.
Аппарат Морзе в течение
более полустолетия был
наиболее распространенной
системой телеграфа,
применявшейся во многих
странах благодаря ее
простоте и компактности.
В 1839 г. русский академик Б.С. Якоби построил «самоотмечающий»,
или пишущий, телеграф. На манипуляции с ключом на передающей
станции реагировало реле, установленное на приемной станции. Якорь
реле, взаимодействуя с сердечником, перемещал по матовому стеклу
прижатый к нему карандаш. Стекло было закреплено на тележке,
которая с помощью часового механизма равномерно перемещалась по
столу. Карандаш при этом рисовал на стекле ломаную линию, которая
для прочтения послания требовала расшифровки. Аппарат Якоби
оказался достаточно надежным и пригодным для эксплуатации. Были
сооружены две линии. Одна, пробная, между Зимним дворцом и
зданием Главного штаба; другая, длиной 25 км, между Петербургом и
Царским селом. При прокладке этой линии Якоби изобрел различные
приспособления и разработал технологию изоляции проводов и
кабелей.
В 40-х гг. в Европе получил распространение стрелочный
телеграф, построенный академиком Якоби. В телеграфе
использовалась идея английского физика Ф. Роналдса, который в
1816 г., предпринял попытку усовершенствовать электростатический
телеграф. Использовалась одна пара проводов. На передающей и
приемной станциях по специальному сигналу одновременно пускались
часовые механизмы, приводившие в синхронно-синфазное вращение
циферблаты с расположенными по окружности буквами. Циферблаты
передающего и приемного аппаратов совершали равномерно-
прерывистое шаговое движение, перемещаясь с одинаковой
скоростью (синхронно) и занимая одинаковое пространственное
положение (синфазно). Снаружи каждый циферблат прикрывался
дисками с прорезью, в которой поочередно показывались знаки,
нанесенные на циферблат. При появлении в прорези требуемой буквы
передающая станция посылала от электростатической машины
сигнал, и на принимающей станции записывали находящуюся в этот
момент в прорези букву. Из-за несовершенства изоляционной техники
и технических трудностей реализации этого проекта телеграф
практического применения в то время не нашел.
Идею Роналдса в 1842–
1843 гг. вопло
тил в жизнь
Якоби.
Вместо дисков с
окошечками он использовал
стрелки, вращающиеся
синхронно–
синфазно на
неподвижных циферблатах с
расположенными на них
буквами и цифрами, которые
были установлены на
передающей и приемной
станциях (рис. 74).
Якоби
разработа
л относительно
простое электро
ме
ха
ническое
устройство, позволяю
щее
надежно и быстро
осуществлять пересылку
информации. При остановке
стрелки передатчика на
нужной букве стрелка на
приемной станции по сигналу
оператора останавливалась
на этой же букве.
Стрелочный телеграф Якоби
оказался востребованным и
выпускался в массовом
количестве немецкой
фирмой Сименса. В 1850
г.
Якоби изобрел
буквопечатающий
телеграфный аппарат,
основанный на том же
принципе синхронно-
синфазного действия. Позже,
в 1855 г., анало
гичный
телеграф построил
англичанин Юз.
Благодаря усовершенствованиям, внесенным учеными многих
стран в конструкции телеграфа, последний превратился в средство
быстрой и надежной связи.
Во второй половине XIX в. телеграф вступает в новую фазу своего
развития – создается международная и трансконтинентальная связь.
В 1852 г.
с помощью проложенного через Ла-Манш кабеля устанавливается
прямая телеграфная связь между Англией и Францией. Несколько позже
телеграфные линии соединили Англию с Ирландией, Германией и
Голландией; Италию – с Сардинией и Корсикой. В 1856 г. начинаются
работы по прокладке кабеля через Атлантический океан, и в 1866 г.
устанавливается постоянно действующая телеграфная линия между
Америкой и Европой. В 1869 г. телеграфный кабель связал Лондон
с Калькуттой, а в 1872 г. – Европу с Южной Америкой.
15.2. Изобретение телефона
В 1837
г. американский
физик Ч.
Пейдж обнаружил, что
протекающий по обмотке
прерывистый электрический ток
вызывает звучание
определенного тона.
Основываясь на этом отк
рытии,
французский механик
Ш. Бурсёль в 1854
г. предложил
осуществить с помощью
электричества передачу
человеческого голоса. В 1861 г.
немецкий изобретатель Ф.
Райс
на заседании физического
общества во Франкфурте
продемонстрировал аппарат,
названный им тел
ефоном.
Аппарат, состоял из
передатчика, соединительного
провода и приемника (рис.
75).
Передатчик в телефоне Райса
состоял из корпуса 1
и медного
рупора 2
для приема звуковых
колебаний. В верхней части
корпуса находилась мембрана из
свиной кожи 3 с укрепл
енной на
ней платиновой чашечкой 4
,
наполненной ртутью. Чашечка
соединялась с одним из полюсов
гальванической батареи 5
,
другой полюс которой
заземлялся. С ртутью
соприкасался платиновый штифт
6
, связанный с линейным
проводом 7
. Приемник телефона
представл
ял собой помещенную
в деревянный резонатор
8
катушку из изолированной
медной проволоки 9
, внутри
которой находилась сталь
ная
спица 10 длиной около 25 см.
Один конец обмотки катушки соединялся с линейным проводом, другой
заземлялся. Колебания мембраны, вызывая вибрации чашечки с ртутью,
изменяли электрическое сопротивление цепи на участке ртуть–штифт.
Вследствие этого протекающий по катушке электрический ток изменялся
в соответствии с поступающими в рупор звуковыми волнами. Телефон