История технических инноваций

Рис. 4: 1 - вытеснительный поршень (далее - вытеснитель); 2 - поршень; 3 - регенератор; верхняя нагревательная область цилиндра находится при постоянной высокой температуре; нижняя охладительная область цилиндра находится при постоянной низкой температуре

Двигатель работает в следующей последовательности.

I. В начальный момент вытеснитель находится в верхнем положении. Весь газ находится в области низкой температуры между поршнем и вытеснителем, поэтому он имеет низкое давление.

II. Вытеснитель остается в верхнем положении. Поршень сжимает газ при низкой температуре и при этом совершает работу.

III. Поршень остается в крайнем верхнем положении. Вытеснитель переталкивает газ из холодной полости в горячую. При этом газ, проходя через регенератор, получает от него запасённое в предыдущем цикле тепло и

нагревается.

VI. Нагретый газ расширился. При этом он толкает вытеснитель с поршнем и совершает полезную работу. Это и есть рабочий такт двигателя. Так как давление в верхней части газа больше его давления в нижней части, то полезная работа перекрывает энергетические затраты на сжатие холодного газа в начальном такте.

I. Вытеснитель поднимается вверх и перемещает рабочий газ в нижнюю холодную часть цилиндра. При этом газ, проходя через регенератор, отдаёт ему тепло, которое будет возвращено в следующем цикле.

Затем цикл повторяется.

Движения поршня и вытеснителя в двигателе практически непрерывны. Их непрерывное движение обеспечивается посредством кривошипно-шатунного механизма. Таким образом, двигатель Стирлинга представляет собой поршневую машину с внешним подводом тепла, в которой рабочее тело постоянно находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

Двигатель Стирлинга имеет неоспоримые преимущества, важность которых с ростом количества автомобилей всё более повышается.

Во-первых, для подвода тепловой энергии можно использовать любой источник тепла: солнечную энергию, биотопливо, ядерную энергию, электроэнергию и проч. Поэтому для двигателя Стирлинга можно использовать и низкокачественное топливо, например, попутный газ, сжигаемый впустую в атмосфере при транспортировке нефти.

Во-вторых, в качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно используется воздух, гелий или водород, который используется в замкнутом цикле и не попадает в атмосферу. Поэтому выбросов отработанного газа двигатель не даёт. При использовании в нагревателе экологически чистой энергии (например, солнечной), двигатель становится идеально экологичным.

В-третьих, идеальный термодинамический цикл двигателя Стирлинга обладает термическим КПД, равным максимально возможному теоретическому и составляет 30-40%.

В-четвёртых, отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов в цилиндрах существенно снижают шум его работы, и по сравнению с двигателем внутреннего сгорания он является практически бесшумным.

В-пятых, опять же сравнительно с двигателем внутреннего сгорания, незначительны траты смазочных материалов и низка стоимость его текущей эксплуатации.

Эти достоинства позволяют прогнозировать дальнейший успех двигателей внешнего сгорания в самых разных сферах: его можно использовать для регенерации (утилизации) тепла для получения электроэнергии. Интересны перспективы применения этого двигателя для создания искусственного сердца.

Темы для докладов и рефератов

Устройство и принцип действия пароатмосферной машины Ивана Ползунова.

Устройство и принцип действия паровоза.

Влияние паровых двигателей на экономическое развитие стран Европы.

Первые автомобили.

История отечественного автомобилестроения.

Железное «сердце» танка (устройство двигателей танков с времен Второй мировой войны и до наших дней).

История становления автомобильной империи Фордов.

Перспективы использования водородных двигателей.

Двигатель Стирлинга - двигатель будущего.

«Формула-1» - полигон технических инноваций.

Дискуссии

Есть ли будущее у автомобилей?

Литература

Ваганов, А. От хомута до автомобиля. Инновации как самый древний способ управления обществом / А. Ваганов. Независимая газета. 2006. №11-14.

Официальный сайт журнала «Наука и жизнь» - www.nkj.ru

2.3 Электричество

Выключили электричество, и в городе воцарилась полная тишина. Оказывается, звуки исходят не от людей.

Михаил Жванецкий

Время, место	Событие
1600 г., Англия	Уильям Гильберт ввел в науку термин «электричество»
1663 г., Германия	Отто фон Герике создаёт первый генератор статического электричества
1745 г., Голландия, г. Лейден,	Питер ван Мушенбрук создал электрический конденсатор - лейденскую банку
1800 г., Италия	Изобретение Алессандро Вольта химического источника тока
1803 г., Россия	В.В. Петров в работе «Известие о гальвани-вольтовских опытах» предлагает применять электрическую дугу для освещения, плавки и восстановления металлов
1820 г., Дания	Ханс Кристиан Эрстед установил, что ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле
1821-1831 г., Англия	Открытие Фарадеем явления электромагнитной индукции
1823 г., Англия	П. Барлоу описал прародитель электродвигателя
1834 г., Германия-Россия	Б.С. Якоби предложил и построил первый двигатель с вращательным движением якоря
1848 г., Франция	Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку
1870 г., Франция	Бельгиец Зеноб-Теофиль Гамм изобретает первый промышленный электрогенератор
1876 г., Германия	Первая гидроэлектростанция на реке Неккер
1876 г., Россия	Пироцкий впервые установил электродвигатель на пассажирский вагон и создал электрифицированный путь
1876 г., 30 ноября, Россия	Павел Николаевич Яблочков патентует изобретение трансформатора с разомкнутым сердечником
1882 г., США, Нью-Йорк	Эдисон запустил первую промышленную систему электрического освещения
1884 г., Англия	Братья Джон и Эдуард Гопкинсон создали трансформатор с замкнутым сердечником
1888 г., США	Никола Тесла изобретает индукционный двигатель переменного тока
1891 г., август, Германия	Первая высоковольтная линия электропередач

Началом истории развития электричества можно считать 1600 год, когда Уильям Гильберт, исследуя магнитные явления, описывает и другой вид взаимодействия тел. Именно он и назвал притягивающиеся в результате электризации тела «электрическими». В те суровые времена практическое применение научных изысканий связывалось, разве что, с поиском философского камня, сочинением туманных астрологических прогнозов и построением метательных машин. Поэтому изыскания Гильберта можно смело отнести к достижениям «фундаментальной» науки, мало кому понятным из современников, с весьма сомнительной перспективой практического использования.

В 1663 году немецкий физик Отто фон Герике, известный школьникам по описаниям театрализованных опытов по разделению магдебургских полушарий дюжиной лошадей, создал первый генератор, позволяющий вырабатывать электричество. Стеклянный шар, покрытый серой, раскручивали и прикасались к нему рукой. При трении между пальцами и шаром накапливалось статическое электричество, проскакивала искра.

Чтобы научиться запасать это электричество, понадобилось ещё каких-то 80 лет. В 1745 году в городе Лейдене Питер Ванн Мушенбрук изобрёл первый электрический конденсатор, вошедший в историю как Лейденская банка. Устройство её довольно просто: банка оклеивается проводящими листами олова (а сейчас фольги) снаружи и внутри, которые и стали прообразами обкладок будущих конденсаторов. Всем известная школьная электрофорная машина представляет, в некотором роде, совмещение двух вышеназванных изобретений: с помощью трения дисков создаётся статическое электричество, а накапливается оно в двух Лейденских банках.

Лейденские банки получили большую популярность при дворах европейских монархов. Использовали их для развлечения: ничего не подозревающему новичку предлагали взять банку на ладонь, а другой рукой ухватиться за стержень. Когда неведомая сила выбивала у испытуемого искры из глаз, всем остальным становилось весело. Естественно, что эти искры никоим образом не могли составить конкуренцию свету тысяч свечей в роскошных королевских люстрах.

Но были и серьёзные последствия: стали искусственно получать электрическую искру, выяснили высокую электропроводность металлов. Удивительное действие электрического тока на человека привлекло внимание не только придворных бездельников, но и врачей. В конце XVIII века стали активно использовать электричество для лечения от самых разных болезней. Сегодня попытки лечения эпилепсии или оспы с помощью электрических разрядов представляются наивными и смешными, но они всё же не стоят в одном ряду с гороскопами или заклинаниями и заговорами. Современные электрокардиостимуляторы спасли и поддерживают жизни тысяч людей, имеющих проблемы с сердцем.

Первым достаточно значимым с практической точки зрения изобретением в области электричества можно назвать создание Алессандро Вольта химического источника тока в 1800 году. До этого электричество можно было получить только через электростатическую машину. Вольтов столб имеет достаточно простое устройство: два металлических электрода - медный и цинковый, между которыми помещают пропитанную раствором соли или кислоты прокладку. Окислительно-восстановительная реакция создаёт разность потенциалов между электродами.

За прошедшие 200 лет принципиальное устройство химических элементов ничуть не изменилось, различие заключается только в изменении материалов и в конструкционных особенностях. Но при этом, естественно, качество работы современных химических источников несравнимо выше, чем у самых первых «батареек».

Современный аккумулятор является незаменимым элементом любого механизма, имеющего двигатель внутреннего сгорания. Вот самый яркий пример технического симбиоза.

Появление ноутбуков, DVD-проигрывателей, цифровых фотоаппаратов и, конечно же, сотовых телефонов привело к ужесточению требований к химическим элементам питания, что стимулировало исследования в этой области. Но пока практически все используемые источники - те же элементы Вольта. Из других можно назвать попытку создания элемента питания на основе радиоактивных элементов. Основное его достоинство в том, что он может непрерывно работать до десятка и более лет, что совершенно недостижимо для химических источников. Но высокая стоимость таких источников и проблемы безопасности эксплуатации и утилизации не позволяют им составить конкуренцию традиционным «батарейкам».

Если изобретение Вольта изначально создавалось с практическими целями, то в открытии Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции в 1831 году (возникновения электродвижущей силы при изменении магнитного потока) никто практической выгоды не увидел, в том числе, и сам изобретатель.

Сегодня мы можем сказать, что мало какое открытие может сравниться по практической значимости с этим. Современный мир, в котором бы были только химические источники электричества, невозможно представить. Явление электромагнитной индукции используется в счётчиках электроэнергии, в трансформаторах. Магнитная запись звука, микрофон, динамик - всё это следствия открытия Майкла Фарадея.

Но, пожалуй, самое значимое техническое изобретение, созданное на основе открытия Фарадея - это индукционный генератор. Он главный элемент всех электростанций, на конечном этапе превращающий механическую энергию в электрическую. Эти генераторы дают нам практически всю потребляемую электроэнергию.

Приоритет в постройке первой электростанции установить сложно. Одна из первых станций в несколько сотен ватт была построена в Германии в 1876 и в 1881 годах. Для вращения генератора использовали энергию реки Неккер. В этом же 1881 году в английском городе Грейсаде тоже была пущена гидроэлектростанция. Американец Роджерс для нужд своей бумажной фабрики запустил гидроэлектростанцию в 1882 году.

В 1881 году Эдисон строит тепловую электростанцию, а 1883 году тепловая электростанция конструкции Эдисона вводится и в Петербурге.

В 1888 году легендарный Никола Тесла изобретает индукционный двигатель переменного тока. Разгорается «война» между переменным и постоянным током. За переменный ток - компания «Вестингауз электрик», за постоянный - неутомимый Томас Эдисон. Дошло до того, что Эдисон с целью дискредитации переменного тока предложил для казни использовать электрический ток, причём только переменный, как наиболее опасный для жизни, а саму казнь назвать «вестингаузацией». Самое печальное то, что эта идея была воплощена в жизнь, и в 1890 году состоялась первая казнь на электрическом стуле.



Но технические преимущества получения и передачи переменного тока оказались важнее, чем его дурная слава. В 1891 году немецким инженером Оскаром фон Мюллером была построена и запущена первая высоковольтная линия электропередач. Длина линии составляла 157 км, по ней передавали трёхфазный ток напряжением 16 кВ. Линия соединяла одну из первых электростанций на реке Неккер с павильоном электротехнической выставки во Франкфурте-на-Майне, где работал первый в мире трёхфазный двигатель Михаила Осиповича Доливо-Добровольского. Наличие переменного тока стало неотъемлемым условием любого современного здания для жилья, работы или развлечений.

Сама по себе электрическая энергия, в общем-то, не нужна. Нужны другие виды энергии, в которые она может преобразовываться. Прежде всего, человеку нужна механическая энергия, которую он раньше получал от животных и собственных мускулов, а позже от энергии рек и ветров. Поэтому изобретение электродвигателя - важный и необходимый этап использования электричества.

Прародитель электродвигателя появился ещё до открытия явления электромагнитной индукции. Ещё в 1823 году П. Барлоу описал устройство, известное как «колесо Барлоу»: подвешенный проводник одним концом опускался во ртуть, из которой выступал магнит. При пропускании тока через ртуть проводник начинал крутиться. А ещё до этого, Эрстед заставлял вращаться накоротко замкнутую батарейку, для этого он подвешивал её на проволоке и подносил к ней постоянный магнит.

Но устройство, не только демонстрирующее движение проводника с током в магнитном поле, но используемое с практической целью совершения механической работы, было создано русским учёным Борисом Семёновичем Якоби в 1834 году. Он первым построил двигатель не с поступательно-возвратным движением, как уже было создано до него, а с вращательным. Его двигатель поднимал груз около 5 кг на высоту 30 см за одну секунду. Нетрудно подсчитать (P=mgh/t), что мощность при этом будет около 15 Вт. В 1838 году в Петербурге изобретатель показывает лодку, приводимую в движение электродвигателем.

Эра электродвигателей неумолимо приближалась, хотя на тот момент стоимость работы электродвигателя была на порядок выше (примерно в двадцать раз), чем у его заслуженного парового конкурента.

Если бы электродвигатели использовали непосредственно там, где производят электроэнергию, то может быть, стиральные машины и пылесосы сегодня работали бы на гальванических элементах или (о ужас!) на двигателях внутреннего сгорания. Основное достоинство электрической энергии - это удобство её транспортировки: электродвигатель качает воду где-то в Подмосковье, а использует для этого энергию, производимую Белоярской АЭС на Урале или Шушенской ГЭС в Сибири. Но для этого было необходимо изобретение скромного и незаметного устройства-труженика - трансформатора, без которого немыслимы все современные электрокоммуникации.

Трансформатор представляет для инженеров-электриков инструмент, аналогичный рычагу в механике, но вместо преобразований силы и перемещения трансформатор преобразует напряжение и ток. Вместо отношения плеч силы количественной характеристикой трансформатора является отношение между числом витков в его обмотках.

Трансформамтор (от лат. transformo - «преобразовывать») - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Трансформатор можно считать одним из самых совершенных технических изобретений: простота устройства, отсутствие движущихся и трущихся частей, очень высокий, близкий к стопроцентному КПД делают трансформатор образцом воплощения технической мысли. Двигателю внутреннего сгорания, с его заслонками, пружинками, жиклёрами и прочими многочисленными и регулярно ломающимися детальками до этого идеала не добраться никогда…

Но простота трансформатора только кажущаяся, современный трансформатор - результат долгой технической эволюции, трудов множества талантливых физиков и инженеров.

Своим появлением трансформатор, конечно же, обязан двум важнейшим последовательно сделанным и взаимосвязанным открытиям: сначала в 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил магнитное поле вокруг проводника с током, а затем Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.

Он не стал разрабатывать практическое применение своего открытия, думая, что это быстро сделают другие. А жаль, потому что к идее трансформатора, использующего явление электромагнитной индукции, так сказать «во все свои катушки», вернулись только тогда, когда столкнулись с проблемами освещения. И произошло это намного позже, почти через полвека.

Появление первого трансформатора «во плоти» можно отнести к 1848 году, когда французский механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку, вошедшую в историю как «Катушка Румкорфа» - устройство для получения импульсов высокого напряжения. Эта катушка состоит из железного стержня, на который намотана первичная обмотка из толстой проволоки, а затем поверх её наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. Такое нехитрое устройство позволило учёным получать электрические искры длиной до 50 см!

Эти искры стали предметом изучения учёных-физиков всего мира. А Генрих Герц занялся изучением не самих искр, а окружающего их пространства и открыл и описал свойства электромагнитных волн. На основе работ Герца и было изобретено радио. Так что первый вариант скромного трансформатора произвёл совсем нескромные последствия, изменившие в дальнейшем само Человечество.

Датой рождения трансформатора можно считать 30 ноября 1876 года, когда Павел Николаевич Яблочков получил патент на трансформатор с разомкнутым сердечником.

Процесс совершенствования трансформатора значительно ускорился после того, как Эдисон изобрёл лампы накаливания с угольной нитью, высокое сопротивление которых позволило осуществлять параллельное соединение проводников. В 1882 г. он запустил в Нью-Йорке первую промышленную систему электрического освещения. Стали требоваться надёжные и экономичные устройства, повышающие и понижающие напряжение.

Создание трансформаторов с замкнутыми сердечниками братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами в 1884 году позволило значительно повысить их КПД. В дальнейшем выяснилось, что и в сердечниках присутствует значительное рассеяние энергии, связанное с вихревыми поперечными токами. Для предотвращения подобных явлений сердечники стали делать непроводящими в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям трансформатора. Для этого сердечники составляли из ряда плоских изолированных железных пластин.

Уже в мае 1885 г. Дери, Блажи и Циперновски на национальной выставке в Будапеште представили осветительную систему, состоявшую из 75 параллельно соединенных трансформаторов, подводивших питание к 1067 лампам накаливания Эдисона от генератора переменного тока с напряжением 1350 В. Трансформаторы имели тороидальные железные сердечники. Это была осветительная система, заложившая принципы построения всех современных осветительных сетей.

Вестингауз, Уильям Стенли, Шелленберг и Альберт Шмид (США) в конце 1885 года приступили к усовершенствованию трансформатора. Главная цель заключалась в удешевлении промышленной сборки трансформатора, так как сборка венгерского тороидального трансформатора была делом непростым и затратным. В итоге Стэнли предложил изготавливать железные пластины в форме буквы Ш, чтобы центральный стержень можно было легко вставлять в заранее намотанную катушку. Ш-образные пластины укладывались в чередующихся противоположных направлениях, а на концы пластин укладывались прямые железные полоски для замыкания магнитной цепи. Эта конструкция трансформатора оказалась удачной и применяется до сих пор.

Но на этом история совершенствования трансформаторов не заканчивается. Дело в том, что сердечники первых трансформаторов состояли из тонких пластин листовой стали и характеризовались значительными потерями на перемагничивание, что уменьшало коэффициент полезного действия трансформатора. Только в начале 1900-х годов удалось добиться значительного успеха в уменьшении потерь такого рода. Английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд разработал специальную трансформаторную сталь с добавками кремния, использование которой уменьшало потери на перемагничивание.

Затем в начале 30-х годов XX в американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии проката и нагревания у кремнистой стали появляются требуемые магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50%, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.

Современные трансформаторы превосходят своих «предков», созданных к началу XX столетия, по мощности в 500, а по напряжению - в 15 раз; их масса в расчете на единицу мощности снизилась приблизительно в 10 раз, а коэффициент полезного действия близок к 99%. Но процесс совершенствования трансформаторов не закончился, появление новых материалов, открытие явления сверхпроводимости, использование полупроводников, пластика и т.п. - всё это немедленно сказывается на трансформаторе - главном трудяге современных электрических сетей.

Как видно из таблицы в начале параграфа, вклад российских ученых в мировую электрификацию оказался весьма впечатляющим. Российские ученые на исходе XIX века были признанными лидерами в области электротехники. Использование этого научного потенциала и мобилизация всей страны после Октябрьской революции и гражданской войны позволили большевикам в невиданные до этого сроки осуществить электрификацию страны. Производство электроэнергии в СССР в 1930 году по сравнению с 1913 годом возросло более чем в 14 раз! Правда, достигнуто это было непосильным трудом миллионов добровольцев и заключенных. Но это стало решающим фактором превращения Союза Советских Социалистических Республик в крупную промышленную державу.

Темы для докладов и рефератов

История эволюции конденсаторов.

История развития «батарейки».

Вклад русских ученых в электроэнергетику.

Современный индукционный генератор.

Потребление электроэнергии на душу населения как один из главных факторов качества жизни.

План ГОЭЛРО - залог становления СССР.

Величайшие электростанции мира.

Саяно-Шушенская ГЭС - одна из крупнейших электростанций мира.

Общая структура электроснабжения вашего населенного пункта.

Современная высоковольтная линия электропередач - сложное техническое устройство.

Дискуссии

Сотовая энергетика - энергетика будущего?

Литература

1. Надеждин Н.Я. История науки и техники / Н.Я Надеждин. - Ростов н/Д: Феникс, 2006. - 621 с.

2. Сайт журнала «Наука и жизнь» - www.nkj.ru

2.4 Освещение

Учитель:

- Дети, какие части света вы знаете?

- Части света? - переспрашивает ученик. - Выключатель, лампочка, провода.

NN

Время, место	Событие
1872 г., Россия	Александр Николаевич Лодыгин изобретает электрическую лампочку
1876 г., Россия	Павел Николаевич Яблочков получает патент на изобретённую им электрическую свечу
1882 г., США, Нью-Йорк,	Эдисон запустил первую промышленную систему электрического освещения
1885 г., май, Венгрия, Будапешт,	В. Дери, Блажи и Циперновски продемонстрировали на национальной выставке систему освещения, прототип современных электрических сетей
1922 г., Россия	Олег Лосев заметил свечение кристаллических диодов
1953 г., Германия	Генрих Велькер синтезировал арсенид галлия - основу будущих лазеров и светодиодов
1950-1960 гг., Япония	Изобретение люминесцентных ламп
1962 г., США	Ник Холоньяк начал выпуск светодиодов
1993-1995 гг., Япония	Шуджи Накамура создаёт яркий синий и белый светодиоды

Одна из первых функций, которую стало выполнять электричество, связана с освещением. Древние города никак не освещались, в лучшем случае - факелами или лампами с маслом. В домашнем освещении много веков правила бал свеча, а в избах простого народа - лучина. Первое постоянное ночное освещение стало возможно с изобретением керосиновых фонарей. Широко распространена была профессия фонарщика, в его обязанности входило обслуживание фонарей, их заправка, зажигание вечером и тушение утром. Следующий шаг связан с появлением системы газового освещения, представление о котором мы можем составить из фильмов, показывающих Лондон времён Шёрлока Холмса.

Газовое освещение было неудобным, дорогим и небезопасным. Революция в деле ночного освещения произошла с изобретением Александром Николаевичем Лодыгиным в 1872 году электрической лампочки накаливания. Источником свечения в ней являлся тонкий угольный стерженёк, светящийся при пропускании через него электрического тока.

Изобретение Лодыгина попадает в руки Эдисону. Со свойственной ему энергией и при наличии финансов американский предприниматель очень быстро усовершенствует лампу и тут же начинает промышленное производство в Америке.

В 1876 году Павел Николаевич Яблочков получает патент на изобретённую им электрическую свечу. В его лампочке светится газ электрической дуги. На Всемирной выставке в Париже в 1878 году свеча демонстрируется с большим успехом. Париж переходит с газового освещения на электрическое, а свет дуговых ламп стал называться во Франции «русским светом». Правда потом усовершенствованные в Европе лампы стали появляться в России и стали у населения вызывать ассоциации с освещенной и просвещенной Европой, не в пример «темной» России. Кое-где его даже стали называть Парижским светом. Так «русский» свет вернулся на Родину.

Сегодня не только Париж и Петербург светятся в ночное время искусственным светом электрических ламп. Каждый мегаполис «купается» по ночам в электрическом свете. При приближении к большому городу можно за 30 - 50 километров увидеть отсвет электрического света на облаках. Большую часть своего времени мы проводим при электрическом освещении, особенно в зимнее время. Современный человек - человек искусственного освещения. Первое и самое главное неудобство при отключении электроэнергии мы связываем с отсутствием света. В сознании современного человека электричество и свет настолько связаны друг с другом, что их часто используют как синонимы. Кто не слышал выражение «Сегодня отключили свет!».

При массовом потреблении электроэнергии на освещение стали существенными недостатки ламп накаливания и дуговых ламп - большая часть их энергии излучается в невидимом, тепловом диапазоне, а КПД не превышает и 10%. Лампы накаливания правильнее называть не лампами, а печками, так как они больше греют, чем светят. Это хорошо знает тот, кто хотя бы раз стоял на сцене под светом мощных ламп - софитов.

Когда около 35% всей потребляемой электрической энергии стало приходиться на освещение, стало очевидно, что лампам накаливания пора искать альтернативу.

Замена лампам накаливания появилась не скоро - только в 60-е годы XX века появились электрические лампы другого принципа действия. Это люминесцентные лампы. Электрический разряд, протекающий через инертный газ, вызывает ультрафиолетовое свечение, преобразуемое поверхностью лампы в видимое. Именно поэтому такие лампы иногда называют световыми трансформаторами. Эти лампы значительно экономичнее и долговечнее ламп накаливания, но имеют свои недостатки - часть выходящего из неё ультрафиолетового излучения может принести вред зрению.

Следующая световая революция может по праву называться светодиодной. Она произошла относительно недавно, и все мы является её свидетелями. Теперь никто не берёт в поход тяжёлый фонарик с лампами накаливания, непрерывно работающий не более двух часов. В ходу лёгкие компактные фонарики. Две небольшие «пальчиковые» батареи обеспечивают работу такого фонарика в течение года, а яркость света при этом несравнимо больше!

Светодиоды произвели качественный скачок в световом окружении человека: они могут светиться самыми разными цветами, давать рассеянный и узконаправленный свет. Отсутствие вакуумированных баллонов и нитей накала, сверхминиатюрность, низковольтность, простота управления свечением, долговечность, надежность, ударо-, взрыво- и пожаробезопасность, экологичность - всё это относится к светодиодам. Но самое главное - современные светодиоды по достигнутой светоотдаче (80 - 120 лм / Вт) во много раз превзошли лампы накаливания и некоторые типы люминесцентных источников.

Производством «полупроводникового света» занимаются такие крупные компании как японская Nichia, американская Cree, европейские Lumileds, Philips, Osram, и др. Параллельно наблюдается свёртывание стекольного производства для ламп накаливания. С 1 января 2011 года в Российской Федерации прекращен выпуск ламп накаливания мощностью более 100 Вт.

Это означает, что «лампочка Ильича» остаётся символом XX века. И совсем скоро мы увидим эту лампочку только в музее, рядом с печатной машинкой и патефоном.

История светодиодной техники началась тогда, когда в 1922 году Олег Лосев, лаборант Нижегородской радиолаборатории, заметил свечение некоторых точечных кристаллических диодов, которые использовались в радиоприемниках.

В 1953 году Генрих Велькер в Германии разработал теорию создания необходимых полупроводников из соединения элементов 3 и 5 групп Таблицы Менделеева и синтезировал некоторые из них, в частности, арсенид галлия - основу будущих лазеров и светодиодов.

В 1962 году американец Ник Холоньяк сообщил о начале полупромышленного выпуска светодиодов.

В 1970-е годы группа Жореса Алферова приспособила к светодиодам гетероструктуры (чередование слоев разных полупроводников вместо легирования, то есть добавления примесей). Японец Шуджи Накамура из фирмы Nichia в 1993 году создаёт яркий синий светодиод, а еще через 2 года и белый.

Сегодня светодиоды широко используют для разметки дорог, светофоров, маяки, бакенов, габаритных и стоп-сигнальных огней автомобилей.

Так, элементы разметки в антивандальном исполнении наглухо вдавливаются в дорожное полотно на 10 лет, периодическая подзарядка осуществляется индукционно. Динамично развивается рынок светопанелей - это вывески, рекламы, бегущие строки, огромные ТВ-экраны. Все активнее архитекторы и дизайнеры внедряют подсветку зданий, светодиоды для этого особенно привлекательны своей многоцветностью, удобством управления, долговечностью. Ватикан, например, намерен все крупные храмы украсить такой подсветкой.

Пройдет совсем немного времени, и ночная сторона нашей планеты будет ярко светить миллиардами светодиодов… Если, конечно, не появится новые источники света, еще более яркие и экономичные.

Темы для докладов и рефератов

Исследование КПД лампы накаливания.

История создания и принцип действия люминесцентных ламп.

Принцип действия и производство светодиодных ламп.

Сравнительные характеристики различных электрических ламп.

Определение экономической эффективности перехода на «энергосберегающие» источники света дома и в учебном учреждении.

Светотехника современного концертного зала.

Литература

Надеждин Н.Я. История науки и техники / Н.Я Надеждин. - Ростов н/Д: Феникс, 2006. - 621 с.

Решетов, В. Сияющий кристалл. Вокруг света. №10. 2010.

Готлиб, И. Прощайте, лампочки Ильича. Вокруг света. №10. 2010.

Сайт журнала «Наука и жизнь» - www.nkj.ru

2.5 Радио

В фантастических романах главное это было радио. При нем ожидалось счастье человечества. Вот радио есть, а счастья нет.

Илья Ильф

Время, место	Событие
1820 г., Дания	Ганс Христиан Эрстед обнаружил связь между электричеством и магнетизмом
1837 г., США	Самуэль Финкли Морзе сконструировал телеграфный аппарат и азбуку для работы на нём
1861-1865 гг., Англия	Джеймс Максвелл создал теорию электромагнитного поля
1872 г., США	Малон Лумис получил первый в мире патент на беспроводную связь
1876 г., 14 февраля, США	Александр Белл запатентовал телефон
1878 г., США	Дэвид Хьюз первым передал и принял радиоволны
1882 г., США, Нью-Йорк,	Эдисон запустил первую промышленную систему электрического освещения
1884 г., Италия	Фемистокл Кальчецци-Онести изобрёл «когерер» - трубку наполненную железными опилками
1885 г., США	Томас Эдисон получил патент на систему радиосвязи между судами
1877 г., Германия	Август Отто запатентовал четырёхтактный газовый двигатель
1886-1887 г., Германия	Генрих Рудольф Герц обнаружил электромагнитные волны и исследовал их свойства
1893 г., США, Сент-Луис	Никола Тесла представил общественности демонстрацию беспроводной радиосвязи
1894 г., 19 августа, Англия	Оливер Лодж продемонстрировал прием сигнала азбуки Морзе с помощью радиоволн, используя «когерер»
1895 г., 25 апреля, Россия	Александр Степанович Попов осуществляет первую в мире передачу радиограммы
1897 г., Германия	Карл Фердинанд Браун изобрёл электронно-лучевую трубку
1898 г., Англия	Гульельмо Маркони открыл первый радиозавод
1898 г., Англия	Оливер Джозеф Лодж получил патент на настраиваемую индукционную катушку или антенный контур в беспроводных передатчиках и приемниках
1901 г., 12 декабря, Италия	Гульельмо Маркони принял первый трансатлантический радиосигнал
1906 г., Канада	Реджинальд Фессенден осуществил первую радиопередачу звукового сигнала
1907 г., Италия - Англия	Гульельмо Маркони создал первую постоянно действующую трансатлантическую линию беспроводной связи
1907 г., 25 июля, Россия	Первый патент на создание «Способа электрической передачи изображения» получил Борис Розинг
1909 г., Италия, Германия	Гульельмо Маркони и Карл Фердинанд Браун удостоены Нобелевской премии по физике за «выдающийся вклад в развитие беспроводной телеграфии»

Передача информации всегда во всех государствах и во все времена представляла важную проблему. Вести передавали барабанным боем, дымом, кострами, голубями, семафорами, гонцами - бегунами и скакунами. Кому неизвестен спартанец, пробежавший 42 км и 195 м от Марафон до Афин с вестью о победе над персами? Если бы не изобрели радио, все бы были марафонцами. Чтобы послать SMS, надо бы было заказать марафонца и вручить ему записку. Но как его заказать? По телефону? Круг замкнулся. Как видно, без радио мы даже не можем представить нашей современной жизни.

Термин «Рамдио» происходит от лат. radio - «излучаю, испускаю лучи» (ср. лат radius - «луч»). Радио представляет собой разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.

Радио - не просто очередное изобретение. Это открытие новой формы существования материи - электромагнитного поля. Эту материю невозможно пощупать или увидеть, но, как оказалось, ей можно найти практическое применение. Причём это применение оказало настолько глубокое и глобальное воздействие на людей, что качественно их изменило, превратив в единое Человечество. Радио послужило началом новой информационной эпохи в развитии цивилизации.

История изобретения радио является одним из самых наглядных примеров, ещё раз доказывающих объективность научно-технического прогресса, хотя порой кажется, что двигают его отдельные личности. Будущая техническая инновация, подготовленная и созревшая предыдущими открытиями и изобретениями, начинает «витать в воздухе», пока кто-то из исследователей этой области не «увидит» её. Чаще всего, это изобретение приходит в голову нескольким изобретателям. Установить, кто и насколько дней сделал это раньше на самом деле, часто является невыполнимой, да и не очень нужной задачей. Следует отдать дань уважения всем тем, кто благодаря своему уму, таланту, трудолюбию оказались в определённый момент на передовом крае научно-технического прогресса, успешно приняли эстафету, чтобы далее передать её новым поколениям.

Генрих Герц, Никола Тесла, Александр Попов и Гульельмо Маркони - это те люди, которые внесли свой неоценимый вклад в развитие радио. Итальянцы гордятся тем, что Маркони - итальянец, англичане обоснованно ставят себе в заслугу, что Маркони получил все возможности для работы в Англии, Никола Тесла - легенда Сербии, Хорватии и Америки. В России считают отцом радио Александра Степановича Попова. Но можно назвать ещё десятки учёных из самых разных стран и континентов, внёсших свой вклад в развитие радио, но известных только специалистам.

Первые предпосылки появления радио можно отнести к 1820 году, когда Ганс Христиан Эрстед обнаружил, что проволока с электрическим током, вызывает отклонение магнитной стрелки. Затем, естественно, нельзя не упомянуть (уже в который раз!) обнаружение в 1831 г. Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции. Одно из продолжений этого важнейшего открытия связано с дальнейшим развитием фундаментальной физики, а именно, с созданием в 1865 г. Джеймсом Максвеллом теории электромагнитного поля.

Блестящее практическое подтверждение теоретических положений Максвелла было получено Генрихом Герцем, который на своей экспериментальной установке, хорошо известной школьникам из учебника физики, изучил и описал основные свойства электромагнитных волн: он обнаружил отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, доказал что скорость их распространения совпадает со скоростью распространения света, что свет представляет собой разновидность электромагнитных волн. Всё это было изложено в работе «О лучах электрической силы», вышедшей в декабре 1888 г., которая, несомненно, послужила катализатором поиска надёжных способов осуществления беспроволочной связи во всём мире. Кроме того, он заметил, что электромагнитные волны проходили через одни виды материалов и отражались другими. Описание Герцем этих свойств можно считать началом истории появления и развития радаров.

Совершенно очевидно, что если бы Генрих Герц не умер в 1894 году от заражения крови в возрасте 36 лет, то он успел бы сделать ещё очень многое, в том числе, и в области развития радио.

Но и до публикаций Герца, когда свойства электромагнитных волн были теоретически рассмотрены Максвеллом, а их реальное существование только осознавалось физиками-экспериментаторами на уровне смутных подозрений, практические работы по их использованию уже велись! Так, в 1872 году, за шесть лет до исследований Герца Малон Лумис получил первый в мире патент на беспроводную связь. Этот пример показывает, что не всегда фундаментальная наука идёт впереди прикладных исследований и определяет их развитие, хотя, конечно, отсутствие теории значительно тормозит практику. В свое время, отсутствие соответствующей теории помешало Томасу Эдисону: 28 ноября 1875 года он рассказал журналистам о замеченном им странном явлении во время опытов с телеграфом. Сегодня каждый из нас знает, как реагируют динамики компьютера или радиоприёмника на отклик вызову, идущему к нашему телефону. Но ни телефонов, ни радиоприёмников в те времена не было. Поэтому только остаётся удивляться внимательности и скрупулезности Эдисона как исследователя, не упускающего из вида никаких деталей, которые большинству кажутся досадной случайной мелочью. Эдисон как смог объяснил это явление некими «эфирными силами», был высмеян за это другим великим изобретателем - Элиу Томсоном и, в конце концов, не стал этим больше заниматься.

В 1878 году Дэвид Хьюз, изобретатель микрофона, был первым, кто передал и принял радиоволны. Когда он продемонстрировал, что индуктивный маятник вызывает шум в приемнике его телефона, научное сообщество единодушно отметило, что это всего лишь наводимая индукция.

Наконец, в 1893 году, когда работы Герца уже были широко известны, Никола Тесла перед слушателями Института Франклина и Национальной Ассоциации Электрического Света в Сент-Луисе (США) провёл успешную и бесспорную демонстрацию беспроводной радиосвязи. В своём выступлении он изложил принципы радиосвязи, определил элементную базу радиосистем, просуществовавшую затем довольно долго. После этого выступления, стало понятно, что радио имеет большие перспективы в самом ближайшем времени. Это подогрело интерес учёных к этой проблематике. Именно этот патент стал предметом дальнейших судебных разбирательств, так как многими считался точкой отсчета изобретения радио.

Были ещё несколько попыток доказать первенство в изобретении радио - это и бразильский священник и ученый Роберто де Мора, и даже фермер из Кентукки Натан Стаблфилд. Но первый до 1900 года не отметился ни одной публикацией по этому поводу, а второй не смог доказать, что это не индукция.

Уже 19 августа 1894 года британский физик Оливер Лодж продемонстрировал прием сигнала азбуки Морзе с помощью радиоволн. Для этого он использовал изобретённый ранее трудами Эдварда Бранли и Фемистокла Кальчецци-Онести «когерер» - трубку, наполненную железными опилками. Интересные свойства этого, на первый взгляд, совершенно заурядного устройства заключались в том, что при пропускании через него электрического разряда его сопротивление падало в сотни раз. При встряхивании сопротивление восстанавливалось. Этот элемент стал основным элементом для беспроводных телеграфных аппаратов на протяжении еще десяти лет, пока не были разработаны более совершенные датчики.

Лодж изложил принципы настройки радио на нужную частоту и в 1898 году получил патент на использование антенного контура, в котором предлагалось «использовать настраиваемую индукционную катушку или антенный контур в беспроводных передатчиках или приемниках, или в обоих устройствах».

На каком-то отрезке времени он продвинулся на пути к изобретению радио дальше всех, но так его и не изобрёл. Когда Лоджа спросили о причинах такой неудачи, он ответил: «Я был слишком занят работой, чтобы браться за развитие телеграфа или любого другого направления техники. У меня не было достаточного понимания того, чтобы почувствовать, насколько это окажется экстраординарно важным для флота, торговли, гражданской и военной связи».

Ииндийский физик Джагадис Чандра Бозе тоже не увидел перспектив открытия, сделанного им в 1894 году. Посредством радиоволн он смог воспламенить порох и заставил звенеть колокол на расстоянии, но далеко идущих последствий от этой демонстрации не случилось: физик вполне удовлетворился удивлением зрителей и не сделал никаких дальнейших попыток запатентовать своё изобретение.

25 апреля 1895 года на заседании Русского физико-химического общества в Петербургском университете российский физик Александр Степанович Попов прочитал лекцию, на которой продемонстрировал прибор для беспроводного телеграфирования. К сожалению, из-за секретности этого сообщения до сих пор не совсем ясно, была ли передана при этом связная радиограмма или был продемонстрирован всего лишь принцип действия прибора. Известно совершенно точно, что 18 декабря 1897 года приёмник А.С. Попова, размещённый в физической лаборатории Петербургского университета, смог принять слова «Генрих Герц» от передатчика в здании химической лаборатории на расстоянии 250 м.

Маркони же сразу понял всю выгоду сделанных изобретений, и в 1912 году его компания приобрела патент Лоджа. Интрига заключается в том, что в этот промежуток времени между 1895 и 1897 годами, а именно 2 июня 1896 года Гульельмо Маркони подал заявку на «усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппаратуре для этого» и получил Британский патент, первый в области радио, а 2 сентября Маркони провёл первую публичную демонстрацию своего изобретения, добившись передачи радиограмм на расстояние 3 км.

Национальная гордость итальянцев, англичан и русских не позволяет поставить окончательную точку в этом вопросе: в СССР был официально утверждён день Радио, связанный с открытием радио А.С. Поповым, о Маркони упоминалось лишь в контексте дальнейшего коммерческого использования радио; на Западе, наоборот, приоритет безоговорочно отдаётся Маркони, о Попове часто даже и не упоминают, хотя в радиоустройствах Маркони использовались детали, очень похожие на отдельные части радиоприёмника Попова.

Но, по большому счёту, так уж ли это важно? Допустим, что Маркони первым передал радиограмму. Умаляет ли это заслуги Попова? Отнюдь нет. Патент, полученный Поповым, был первым в своем роде, хотя в нём были применены методы, использованные ранее другими экспериментаторами (в первую очередь Тесла), и использованы инструменты, похожие на те, которые ранее демонстрировали другие (в частности, О. Лодж и Э. Бранли).

А.С. Попов вошёл бы в историю науки даже в том случае, если бы не изобрёл радиоприёмник. Им было сделано ещё немало интересных изобретений: прибор для регистрации электромагнитных колебаний в атмосфере - «грозоотметчик»; летом 1901 года он получил русскую привилегию (российский аналог патента) №6066, группа XI, с приоритетом 14 июля 1899 года на новый, линейно-амплитудный тип «телеграфного приёмника депеш, посылаемых с помощью какого-либо источника электромагнитных волн по системе Морзе». Это позволило в дальнейшем фирме Дюкрете, наладить выпуск телефонных приёмников.

А.С. Попов занимался опытами с радием, исследованием затухающих электрических колебаний и т.п. Можно сказать, что он был выдающимся учёным-инженером, но он не был бизнесменом-учёным, который не только сам является талантливым изобретателем, но и умеет извлечь максимальную прибыль из своих изобретений, как это делали Эдисон, Маркони или Томсон.

Долгие годы в произведениях художественной литературы, в фильмах (не только в советских, но и, не в меньшей степени, западных) учёный-предприниматель преподносился как однозначно отрицательный герой. На самом деле именно учёные-предприниматели наиболее энергично и последовательно внедряют инновации, меняя нашу жизнь и двигая научно-технический прогресс. При этом получение больших денег является приятным следствием титанических усилий по организации цепочки от изобретения до массового производства и всеобщего использования.

Сочетание личностных качеств, требуемых для такой деятельности, является достаточно редким: огромная работоспособность, коммуникативные, организационные качества должны сочетаться не только с талантом учёного, знаниями инженера, но и с прагматизмом, хваткой предпринимателя. Всеми этими качествами в полной и даже избыточной мере обладал Гульельмо Маркони.



Родившись в Италии, в 22 года Маркони переехал в Англию, главным образом потому, что там ему были созданы более благоприятные условия для изобретательской и коммерческой деятельности.

В Великобритании ему удалось заинтересовать своими приборами Почтовое ведомство и Адмиралтейство, что само по себе является значительным достижением. После получения патента в этом же 1896 году ему удаётся добиться внимания деловых кругов Великобритании и убедить их в перспективах радиотелеграфии, что ещё раз убеждает нас в незаурядных предпринимательских способностях юного итальянца. В результате в 1897 ему удаётся привлечь значительные инвестиции в 50000 фунтов и организовать достаточно крупное акционерное общество («Маркони К°»). Имея очень приличные материальные ресурсы, Маркони удаётся собрать команду видных учёных и инженеров, которая в этом же году строит радиостанцию на острове Уайт в Англии.

В 1898 г. Маркони открывает первый радиозавод в Англии, обеспечивший работой полсотни человек.

В 1901 г. им была осуществлена радиосвязь через Атлантический океан. Многими этот факт подвергается сомнению, они считают, что Маркони мог выдать желаемое за действительное. Но именно эта дата знаменует открытие эпохи трансконтинентальной радиосвязи. Тем более, что Маркони всё же удалось установить эту связь надёжно, но несколько позже заявляемой им даты.

Параллельно Маркони ведёт судебную тяжбу, пытаясь оспорить решение Патентного ведомства США о вручении Томасу Тесла патента на изобретение радио.

Влияние финансовых покровителей Маркони (один из которых - Томас Эдисон) и нежелание правительства США отчислять Томасу Тесла большие деньги, привели к тому, что было принято решение «забрать» патент у Тесла и «перевручить» его Маркони. Так Маркони стал изобретателем радио и в Америке.

В 1905 г. Маркони патентует направленную передачу сигналов. В 1907 г. ему удаётся наладить первую трансатлантическую службу беспроволочной связи.

В результате фирма Маркони стала практически мировым монополистом в области поставки средств для радиосвязи. Неудивительно, что Маркони стал весьма богатым человеком, а его заслуги в развитии радиотехники и в распространении радио как средства связи были оценены Нобелевской премией в 1909 году (вместе с Карлом Фердинандом Брауном).

В 1943 году многострадальный патент на изобретение радио за номером 645576 Верховным судом США был отобран у Маркони, а Никола Тесла уже после своей смерти снова стал изобретателем радио в Америке. Историческая справедливость восторжествовала, а правительство США избежало выплат по использованию патента и тому, и другому.

Если проводить параллели жизни и деятельности Маркони и Попова, то они расходятся уже с 1897 года, когда на своё предложение осуществить связь через Ла-Манш, в почтовом ведомстве Великобритании Маркони получил ответ «Не останавливаться ни перед какими тратами на осуществление проекта мистера Маркони». Попову же в аналогичном ведомстве Петербурга написали прямо противоположное: «На подобные химеры денег не отпускать».

Какие-то средства были выделены только после того, как радиотелеграф Попова помог снять с камней броненосец «Генерал-адмирал Апраксин». Но время было безнадёжно упущено. Позже, когда пришлось уже все корабли русского флота оборудовать радиотелеграфом, оборудование было закуплено конечно же, у фирмы «Маркони К°» за весьма внушительные деньги.

Некоторое время спустя была создана компания «Бритиш Маркони», которая устанавливала радиосвязь между береговыми радиостанциями и судами в море. Компания, имея практически монополию, вплоть до 1983 года скупала внутреннее оборудование других компаний (например, американской АТТ), и заставляла их просто отказываться от связи с кораблями, оборудованными аппаратурой типа «Не-Маркони». Так бывшая инновация, стараясь сохраниться, превращается в тормоз. Но прогресс неумолим, и новая инновация сменяет старую, и появляются новые герои.

...