Что такое отрасль электротехника сфера применения

Электротехника — отрасль науки и техники

Электротехника — отрасль науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, обработки материалов, передачи информации и другого, и охватывающая вопросы получения преобразования и использования электроэнергии в практической деятельности человека.

Немного истории

В XIX веке электротехника выделилась из физики в самостоятельную науку.

Над закладкой её фундамента трудилась целая плеяда ученых и изобретателей. Датчанин Х. Эрстед, француз А. Ампер, немцы Г. Ом и Г. Герц, англичане М. Фарадей и Д. Максвел, американцы Д. Генри и Т. Эдисон — эти имена мы встречаем в учебниках физики (в честь некоторых из них названы единицы электрических величин).

XIX век щедро одарил человечество изобретениями и открытиями в области технических средств коммуникации. В 1832 году член-корреспондент Петербургской Академии наук Павел Львович Шиллинг в присутствии императора продемонстрировал работу изобретённого им электромагнитного телеграфа, чем положил начало проводной связи. В 1876 году Александр Белл изобрёл телефон. В 1859 году братья Луи и Огюст Люмьеры дали первый киносеанс в Париже, а Александр Степанович Попов в Петербурге публично демонстрировал передачу и приём электрических сигналов по радио.

Не зря XIX век назвали веком электричества. В 1867 году Зеноб Грамм (Бельгия) построил надёжный и удобный в эксплуатации электромашинный генератор, позволяющий получать дешевую электроэнергию, и химические источники отошли на второй план. А в 1878 году на улицах Парижа вспыхнул ослепительный «русский свет» — дуговые лампы конструкции Павла Николаевича Яблочкова. Закачались стрелки на приборах первых электростанций.

Возможности электричества поражали: передача энергии и разнообразных электрических сигналов на большие расстояния, превращение электрической энергии в механическую, тепловую, световую…

Рождение электротехники начинается с изготовления первых гальванических элементов –химических источников электрического тока. Связывают его с именем Александра Вольты. Однако рассказывают, что, раскапывая египетские древности, археологи обратили внимание на странные сосуды из обожженной глины с изъеденными металлическими пластинами в них. Что это. Многое в окаменевших остатках ушедших, канувших в Лету цивилизаций, до сих опор не понятно людям. Нелегко восстановить образ минувшего, тем более что часто он оказывается не таким уж примитивным, как думается. «А уж не банки ли это химических элементов?» — пришла кому-то в голову сумасшедшая мысль. Впрочем, так ли она безумна? Ведь получение постоянного электрического тока химическим путём действительно очень просто. Солёной воды на Земле хоть отбавляй, как и необходимых металлов — цинка и меди. Вместо меди лучше применять серебро и золото… Первые элементы имели один общий недостаток. Они давали ток лишь первые несколько минут, затем требовали отдыха. Почему это происходило, ни кто не понимал. Но с такими быстро утомляющимися элементами нечего было, и думать затевать какую-то промышленность. И поэтому все усилия исследователей сконцентрировались на проблеме утомляемости.

Оказалось, что цинк, соединяясь с кислотой, вытесняет из нее водород. Пузырьки газа оседают на металлических пластинках и затрудняют прохождение тока. Физики назвали это явление поляризацией и объявили ему войну.

Примерно в начале 30-х годов прошлого столетия англичане Кемп и Стерджен выяснили, что цинковая пластина, покрытая амальгамой — действует слабее чем пластина из чистого цинка, но при этом не растворяется в кислоте, когда элемент не работает, то есть когда он не даёт тока. Это стало существенным достижением. Следом за ним французский учёный, основатель учёной династии Беккерель высказал мысль, что хорошо бы попробовать опускать пластины в разные сосуды так, чтобы выделяющийся водород тут же химически соединялся с кислородом, образуя воду. Идея понравилась, но как её реализовать? Изобретатели всех стран принялись за опыты.

На первом этапе наибольший успех выпал на долю профессора химии Лондонского королевского колледжа Даниеля. В стеклянную банку с медным купоросом он поместил согнутый в цилиндр металлический лист. Внутрь вставил глиняный сосуд с пористыми стенками, заполненный разбавленной серной кислотой. В кислоту был помещён цинк. Водород проходил через поры глиняного сосуда, вытеснял медь из купороса. Несколько синих кристалликов, брошенных на дно банки, пополняли убыль меди… Поляризация была побеждена! Однако у элемента Даниеля нашлись другие недостатки. Так, он имел электродвижущую силу. Часть электрической энергии тратилось внутри самого элемента на разложение медного купороса.

Соотечественник Даниеля Вильям Грове решил заменить медный купорос азотной кислотой. А чтобы она не разъела медный электрод, заменил медь платиной. Всё получилось в соответствии с ожиданиями: электродвижущая сила возросла. К сожалению, возросла и стоимость такого источника тока: платина дорогой металл. Правда, Грове и его последователи делали электроды из тончайших листков, согнутых для прочности буквой S. Несмотря на высокую стоимость, элементы Грове нашли широкое применение в лабораториях многих стран мира.

Может показаться странным, что никто не додумался заменить платину древесным углём. Принципиальная возможность такой замены была уже известна. Но надо учитывать тот уровень техники, ни кто не умел делать плотных углей. А обычный древесный уголь был слишком пористым. Прошло несколько лет, прежде чем немецкий химик Роберт Бунзен описал способ получения угольных стержней из прессованного молотого графита, который выделяли при сгорании светильного газа на раскалённых стенках реторт. Стержни стали прекрасным заменителем платины.

Можно рассказать ещё о многих более или менее удачных попытках изобретательства. Наибольший успех выпал на долю парижского химика Жоржа Лекланше. Он наполнил глиняную банку смесью перекиси марганца с кусочками угля из газовых реторт и поместил туда же прямоугольную угольную призму, которая должна была служить положительным электродом. Эта система заливалась сверху варом или смолой и вставлялась в стеклянную четырёх угольную банку, заполненную раствором нашатыря, с цинковым электродом. При этом хлор из нашатыря, соединяясь с цинком, давал хлористый цинк. Аммоний распадался на растворяющийся аммиак и водород. Вот тут-то и была ахиллесова пята этого превосходного элемента. Перекись марганца окисляла водород медленно и небольшими порциями. А выделение этого газа зависело от силы тока, который отбирается с элемента. Больше ток больше выделяется водорода. Водород же поляризует элемент, и последний быстро устаёт. Правда после некоторого отдыха он исправно работает снова. Однако лучше всего его было использовать при малых силах тока в телеграфии или в системе сигнализации, где между моментами работы существуют довольно большие промежутки.

Великим достижением прошлого века, связанного с исследованием работы тех же элементов, явилось открытие возможности параллельного и последовательного их соединения, когда в первом случае удавалось получить от них суммарное напряжение, а во втором — суммарный ток…

Но расширение области практического использования электрической энергии стало возможно лишь в 70—80-е годы XIX веке с решением проблемы передачи электроэнергии на расстояние. В 1874 году Ф. А. Пироцкий пришёл к выводу об экономической целесообразности производства электроэнергии в местах, где имеются дешёвые топливные или гидроэнергетические ресурсы, с последующей передачей её к потребителю. В 1880—81 годах Д. А. Лачинов и М. Депре независимо друг от друга предложили для уменьшения потерь электроэнергии в линии электропередачи (ЛЭП) использовать ток высокого напряжения. Первая линия электропередачи на постоянном токе была построена Депре в 1882 году между городами Мисбахом и Мюнхеном (длина линии 57 км., напряжение в ней 1.5—2 кв.). Однако попытки осуществить электропередачу на постоянном токе оказались неэффективными, т. к., с одной стороны, технические возможности получения постоянного тока высокого напряжения были ограничены, а с другой — было затруднено его потребление. Поэтому наряду с использованием для передачи электроэнергии постоянного тока велись работы по применению в тех же целях однофазного переменного тока, напряжение которого можно было изменять (повышать и понижать) с помощью однофазного трансформатора. Создание промышленного типа такого трансформатора по существу решило проблему передачи электроэнергии. Однако широкое распространение однофазного переменного тока в промышленности было невозможно из-за того, что однофазные электродвигатели не удовлетворяли требованиям промышленного электропривода, и поэтому применение однофазного переменного тока ограничивалось лишь установками электрического освещения.

В 70—80-е годах XIX века электроэнергию начали использовать в технологических процессах: при получении алюминия, меди, цинка, высококачественных сталей: для резки и сварки металлов; упрочнения деталей при термической обработке и т. д. В 1878 году Сименс создал промышленную конструкцию электроплавильной печи. Методы дуговой электросварки были предложены Н. Н. Бенардосом (1885 год) и Н. Г. Славяновым (1891 год).

К концу 70-х годов относятся также первые попытки использования электроэнергии на транспорте, когда Пироцкий провёл испытания вагона, на котором был установлен электрический тяговый двигатель. В 1879 году Сименс построил опытную электрическую дорогу в Берлине. В 80-е годы трамвайные линии были открыты во многих городах Западной Европы, а затем в Америке (США). В России первый трамвай был пущен в Киеве в 1892 году. В 90-е годы электрическая тяга была применена и на подземных железных дорогах (в 1890 году в Лондонском метрополитене, в 1896 году — в Будапештском), а затем на магистральных железных дорогах.

В конце XIX века промышленное использование электроэнергии превратилось в важнейшую комплексную технико-экономическую проблему — наряду с экономичной электропередачей необходимо было иметь электродвигатель, удовлетворяющий требованиям электропривода. Решение этой проблемы стало возможным после создания многофазных, в частности трёхфазных, систем переменного тока. Над этой проблемой работали многие инженеры и учёные (Н. Тесла, американский учёный Ч. Брэдли, немецкий инженер Ф. Хазельвандер и др.), но комплексное решение предложил в конце 80-х годах М. О. Доливо-Добровольский, который разработал ряд промышленных конструкций трёхфазных асинхронных двигателей, трёхфазных трансформаторов, и в 1891 году построил трёхфазную линию электропередачи Лауфен — Франкфурт (длина линии 170 км).

Практическое применение трёхфазных систем положило начало современному этапу развития электротехники, который характеризуется растущей электрификацией промышленности, сельского хозяйства, транспорта, сферы быта и др. Увеличение потребления электроэнергии обусловило строительство мощных электростанций, электрических сетей, создание новых и расширение действующих электроэнергетических систем. Строительство мощных ЛЭП высокого напряжения привело к разработке разнообразного высоковольтного оборудования, электроизоляционных материалов, средств электроизмерительной и преобразовательной техники и т. д., а также стимулировало улучшение конструкций электрических машин и аппаратов, разработку методов анализа процессов в цепях переменного тока. Совершенствование электротехнических устройств способствовало формированию таких научных дисциплин, как высоких напряжений техники, теория электрических цепей, теория электрических машин, электропривод и др. Успехи электротехники оказали существенное влияние на развитие радиотехники и электроники, телемеханики и автоматики, а также вычислительной техники и кибернетики.

Один из важных разделов электротехники — электромеханика охватывает вопросы преобразования энергии, практическое решение которых на широкой научной основе потребовало разработки специальных методов, связанных с анализом и описанием процессов, протекающих именно в электротехнических устройствах. Математическое описание таких процессов основано на решении уравнений Максвелла. При этом их дополняют уравнениями, описывающими конкретный процесс, или используют Вариационные принципы механики. Так, на основе Возможных перемещений принципа разработаны различные формализованные методы, среди которых наибольшее практическое применение при исследовании процессов, протекающих в электрических системах, машинах и аппаратах, находят методы: исключения уравнений с периодическими коэффициентами для взаимно перемещающихся цепей; выбора наиболее целесообразных систем обобщённых координат, анализа переходных процессов в электрических цепях; определения устойчивости работы нерегулируемых и регулируемых электрических машин, связанных линиями электропередачи, и др.

Значительный вклад в развитие этих методов сделали А. А. Горев, П. С. Жданов, С. А. Лебедев, американский учёный Р. X. Парк, английские учёные О. Хевисайд, Г. Крон и др. Их труды легли в основу математической теории электрических машин и открыли возможность для применения сложного математического аппарата (тензорного исчисления, графов теории, теории матриц, операционного исчисления) при решении разнообразных прикладных задач, в частности связанных с изучением сложных электромеханических систем, переходных электромеханических и электромагнитных процессов, Использование тензорного исчисления привело к появлению такого приёма исследования, как диакоптика, при котором данные, характеризующие всю сложную систему (например, электрическую цепь, содержащую сотни и тысячи узлов и ветвей), можно получать, рассматривая поведение её отдельных частей.

Особенно эффективным стало употребление формализованных методов в сочетании с машинным проектированием, являющимся одним из перспективных направлений при рассмотрении современных задач электромеханики (в частности, задач синтеза, решаемых на основе алгебры логики и теории направленных графов). Формализованные методы используют при исследовании многих проблемных задач электротехники, например таких, как изучение нелинейных цепей (а также возникающих в них гармонических и субгармонических колебаний), проводимое на основе методов анализа и синтеза, разработанных ранее для линейных цепей и трудах А. М. Ляпунова, Н. М. Крылова, Н. Н. Боголюбова, Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси, А. А.Андронова и др. Важное направление современной электротехники — разработка теоретических и экспериментальных методов исследований, основывающихся на подобия теории, аналоговом и физическом моделировании теории планирования эксперимента и позволяющих решать ряд принципиальных научно-технических проблем электротехники. К ним, в частности, относятся вопросы совершенствования существующих способов передачи электроэнергии и разработка новых. В круг этих вопросов входят: исследования процессов, протекающих в линиях электропередачи и преобразовательных устройствах; разработка и совершенствование управляемых элементов коммутационной аппаратуры; создание полупроводниковых преобразователей, способных эффективно работать в сочетании с электромеханическими устройствами, а также изучение возможности использования гиперпроводников и сверхпроводников в линиях электропередачи.

Большое практическое значение имеет разработка способов оптимального управления сложными электроэнергетическими системами и повышения их надёжности. Решение этих задач основывается на использовании методов моделирования и вероятности теории. Необходимое условие для повышения устойчивости и надёжности работы электроэнергетических систем — создание мощных симметрирующих устройств, статических регуляторов и другой аппаратуры, обеспечивающей оптимальные режимы работы систем.

Важные направления электротехники — создание сложных электромагнитных полей с заданными свойствами, требующее разработки методов расчёта и моделирования электрических и магнитных полей в ферромагнитных, плазменных и других нелинейных и анизотропных средах, а также исследование и определение оптимальной конфигурации систем (в частности, сверхпроводящих), создающих сильные магнитные поля; разработка теории управления электромагнитными полями и методов синтеза систем, создающих эти поля.

Значительный интерес представляет изучение импульсных полей высокой интенсивности, в том числе разработка методов анализа взаимодействия таких полей с веществом, исследование тепловых и электродинамических процессов в электроэнергетических устройствах предельных параметров. Результаты этих работ находят применение при создании магнитопроводов для сверхмощных электрических трансформаторов и электрических реакторов.

Теоретические и экспериментальные методы электротехника нашли своё развитие в ряде других отраслей науки и техники, связанных, в частности, с исследованием свойств вещества (полупроводников, плазмы), с разработкой и созданием средств ядерной и лазерной техники, изучением явлений микромира и жизнедеятельности живых организмов, освоением космического пространства.

Достижения электротехники используются во всех сферах практической деятельности человека — в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, быту и т.д. Электротехническая промышленность выпускает машины и аппараты для производства, передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии; разнообразную электротехническую аппаратуру и технологическое оборудование; электроизмерительные приборы и средства электросвязи: регулирующую, контролирующую и управляющую аппаратуру для систем автоматического управления; электробытовые приборы и машины, медицинское и научное оборудование и др.