История развития направления электротехники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Самарский государственный технический университет

История развития направления электротехники - ТОЭ

Маслов Д.П., студент 2 курс, факультет «Электротехнический»

Штемпель Е.Е., Студентка 2 курс, факультет «Электротехнический»

Научный руководитель: Шакурский Максим Викторович

Россия, г. Самара

Аннотация

Электротехника как наука появилась относительно недавно. Основами её появления и развития послужили изучения и разработки электромагнитных явлений и их практические применения. Сама по себе наука брала истоки в работах выдающихся учёных и инженеров XVIII-XX веков.

Ключевые слова. Электротехника, Джеймс Клерк Максвелл, Майкл Фарадей, ТОЭ, открытие, эксперимент, техника, Карл Адольфович Круг, трансформатор.

Annotation. Electrical engineering as a science appeared relatively recently. The basis of its appearance and development was the study and development of electromagnetic phenomena and their practical applications. Science itself took its origins in the works of outstanding scientists and engineers of the 18th-20th centuries.

Keywords. Electrical engineering, James Clerk Maxwell, Michael Faraday, TOE, discovery, experiment, technique, Karl Adolfovich Krug, transformer.

Введение. С середины XX века изучение дисциплины ТОЭ стало стандартом для студентов электротехнических факультетов. Однако, зарождение и существование данной дисциплины ограничивается Советским союзом и странами СНГ, что вызывает вопросы обоснованности введения данной дисциплины в учебный процесс и её изучения с точки зрения студентов. В рамках статьи рассматривается история дисциплины ТОЭ, предпосылки к её появлению и вопросы применения современных систем численной математики при её изучении.

Майкл Фарадей.

В момент, когда мир не подозревал о большей части электромагнитных явлений и электрической индукции, эти вопрос начинает заниматься английский физик-экспериментатор Майкл Фарадей.

В период 29 августа - 4 ноября 1831 года Фарадей проводит два опыта:

При движении магнитного сердечника внутри проволочной катушки в последней возникал электрический ток.

Включение или выключение тока в проволочной катушке приводило к появлению тока во вторичной катушке, чьи витки чередуются с витками первой.

На основе своих опытов 17 октября 1831 года делает заключение: «Электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».

Дабы подтвердить свою точку зрения он ставит решающий эксперимент: «Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8 1/4 дюйма длиной) и ввёл один его конец внутрь спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединённой с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался».

В следствии М. Фарадей даёт название явлению, которое наблюдалось в течении экспериментов, - электромагнитная индукция.

В записи дневника Фарадея от 7 ноября 1845 года впервые употребляется термин «электромагнитное поле». До момента изучения электромагнитного поля Фарадеем существовала амперовская трактовка о силе взаимодействии токов, которые считались дальнодействующими. Майкла Фарадея не устроила такая трактовка и он оспорил это положение, о после сформулировал своё: «свойства электромагнитного поля как существенно близкодейственные, то есть непрерывно передающиеся от каждой точки к соседним точкам с конечной скоростью».

До Фарадея под электрическими силами понимали взаимодействие электрических зарядов на расстоянии. Он изменил представление: электрическим зарядом создаётся электрическое поле, а с этим полем, в последствии, взаимодействует другой заряд, дальнодействия на расстоянии нет. Положение магнитного поля оказалось сложнее, так как поле не является центральным, из-за чего вводится понятие силовых линий для определения направления магнитных сил в каждой точке.

Проведя опыт между двумя экранизированными друг от друга шарами, один из которых был заряжен, Фарадей наблюдал индукционные заряды на втором шаре. Из полученного эксперимента он сделал вывод: «Самая обычная индукция во всех случаях является действием смежных частиц и что электрическое действие на расстоянии происходит только благодаря влиянию промежуточной материи».

Таким образом, Майкл Фарадей дал основу будущим учёным для более углублённого изучения электротехники, что в последствии зародило ТОЭ.

Джеймс Клерк Максвелл

После открытий, сделанных Фарадеем, физик-экспериментатор Джеймс Клер Максвелл начинает серии экспериментов, которые подкрепляет математическими разъяснениями

Так, путём вычислений и опытов, Максвелл предполагает гипотезу, в которой фигурирует понятие, введённое Фарадеем, - электромагнитное поле. Звучит оно следующим образом: «Изменяющееся во времени электрическое поле вызывает появление вихревого магнитного поля». Согласное гипотезе предполагалось, что образовавшееся магнитное поле появляется не только из- за протекания тока по проводнику, но и из-за появления переменного электрического поля между обкладками конденсатора,которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. В подкрепление этой гипотезы Максвелл создаёт уравнения, на которых и базируется его размышление по данной гипотезе:

¦ Первое уравнение (вихревое электрическое поле) подкрепляло и дополняло математически понятие о электромагнитной индукции Фарадея. Так изменяющееся магнитное поле во времени создаёт электрическое поле ЕВ , циркуляция которого:

Используем раннее выведенное уравнение Максвеллом (2):

Отсюда получаем:

Пользуясь тем, что контур и поверхность неподвижны - операции дифференцирования и интегрирования Максвелл меняет местами:

Путём математических преобразований и выводов, сделанными раннее, Максвелл вывел формулу для вектора напряжённости электростатического поля вдоль любого замкнутого контура:

Сравнив выражения (1) и (5), он увидел, что между рассматриваемыми полями имеются различия: циркуляция вектора ЕВ Ф 0 ^ ЕВ Ф Е^. Отсюда сделал вывод, что электрическое поле ЕВ , как и само магнитное поле является вихревым. электромагнитный переменный ток

¦ Второе уравнение (магнитоэлектрическая индукция) Максвелл выдвигает перед собой условие обратное его гипотезе, для доказательства которого он вводит новое понятие - ток смещения. Доказывает он на примере цепи переменного тока с конденсатором.

Рисунок 1. Цепь переменного тока, содержащая конденсатор

Обратим внимание на то, что у тока проводимости было взято лишь одно физическое свойство для тока смещения - создание магнитного поля в окружающем пространстве.

Первое, что он сделал, это путём преобразования, полученных раннее в его трудах, уравнений выводит формулу для плотности тока смещения через электрическое смещение D, подмечая, что направление вектора j и /см совпадает с направлением:

После Максвелл вводит новое понятие полного тока, равного сумме токов проводимости и смещения:

В итоге Максвелл пересмотрел свои понятия о замкнутости цепи переменного тока: полный ток всегда замкнут, а диэлектрике ток смещения замыкает ток проводимости. На основании этих заключений Д. Максвелл приходит к обобщённой теореме о циркуляции вектора H:

¦ Третье уравнение (Теорема Гаусса для поля D) заключает в себе необходимость характеризовать, помимо вектора напряжённости, вектором электрического смещения для нахождения напряжённости электростатического поля, так как напряжённость Е скачкообразно изменяется в границах диэлектрика, поэтому создаются определённые трудности при расчётах полей электростатики. Стоит ещё уточнить, что формулу, для лучшего понимания и дальнейшего вывода, стоит выразить с учётом поляризованности P (9). Так, формула вектора электрического смещения представляет собой (10):

Где, а - диэлектрическая восприимчивость вещества.

Поля Л и D имеют общий вид линий электрического смещения, где направление и густота определяются схоже. Отличия заключаются в том, что поле Е имеет конец и начало на любых зарядах (связанных и свободных), а D - свободные заряды.

Отсюда следует формула произвольной замкнутой поверхности S , через которую проходи поток вектора D:

В следствии данного преобразования (11) Максвелл приходит к выводу о теореме Гаусса для электростатического поля в диэлектрике:

Если заряд распределён в замкнутой поверхности непрерывно с объёмной плотностью р, то формула (12) запишется в виде:

¦ Четвёртое уравнение (Теорема Гаусса для поля B) является заключительным в уравнениях Максвелла и представляет собой теорему об отсутствии магнитных зарядов, которые приводят к тому, что линии магнитной индукции замкнутые и безграничные.

Свои размышления Максвелл начал со скалярной физической величины, выраженной через магнитный поток и контур dS:

Следовательно, учитывая скалярное выражение (14), поток магнитной индукции Фв через произвольную поверхность S:

Учитывая (15) и прошлые свои экспериментальные познания в области магнитной индукции, Максвелл приходит к тому, что поток вектора магнитной индукции сквозь любую замкнутую поверхность равен 0:

Совмещая свои четыре уравнения (4), (8), (13), (16), Максвелл создаёт полные системы уравнений в интегральной (17) и дифференциальной формах(18):

В будущем эти системы сыграют важную роль при решении проблемы, связанной с расчётом электрических цепей, давая начало методу контурных токов (наложение/суперпозиции), методу интегралу Дюамеля, который взял за базу системы уравнения Максвелла. Большинство решений появлялось путём машинного метода, то есть, имея определённый набор уравнений, находится связь, в дальнейшем помогающая в выявлении параметров электрических цепей.

Возникновение полноценной дисциплины ТОЭ. Её основатели.

Последние года 19-го века прославились новым промышленным переворотом в частности появление многофазных переменных токов, которые позволили решить проблему, связанную с распределением и передачей электрической энергии. В это время на слуху у всех становится инженерэлектротехник русского происхождения Михаил Осипович Доливо - Добровольский.

Михаил Осипович начинает разработку техники, которая начинает базироваться на трехфазных переменных токах, а также становится первым, кто смог передать электрическую энергию своей техники на большие расстояния.

К его заслугам можно отнести разработки, связанные с

электродвигателями:

Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором.

Трёхфазный асинхронный двигатель пусковым реостатом и с фазным ротором.

Помимо разработок, связанных с трехфазными двигателями, Доливо - Добровольский в 1889 году занимается разработкой первого трёхфазного трансформатора с сердечниками, которые имели радиальное расположение.

Обладая большим количеством информации в сфере электротехники, полученной от многих выдающихся учёных: начиная от фарадеевской теории о электромагнитном поле и индукции, заканчивая математическими доказательствами и уточнением фарадеевской мысли Максвеллом, перед учёными-электротехниками встал вопрос: как выбрать и объединить всю эту информации для более точного изучения и наиболее наглядного представления законов. Так, русские инженеры В.Ф. Миткевич и К.А. Круг берут ответственность за изучение всех раннее полученных материалов, так и появляется наука ТОЭ.

Первым, кто собрал всю необходимую информацию во едино и соединил их логически, был профессор Владимир Федорович Миткевич. В 1904 году в Петербургском политехническом институте Императора Петра Великого впервые начала читаться лекция по курсу «Теория электрических и магнитных явлений», которая имела огромную популярность среди студентов и действующих инженеров.

Параллельно с В.Ф. Миткевичем годом позже профессор ИМТУ Карл Адольфович Круг в 1905 основывает курс «Теория переменных токов», который также воедино собирает и объединяет полученную раннее информацию по законам электромагнитного поля и индукции.

Данные курсы, поясняющие важные положения теоретической электротехники и помогающие в решении многих теоретических задач, и дают начало дисциплине «Теоретические основы электротехники».

Работы и лекции В.Ф. Миткевича и К.А. Круга оказываются настолько результативными, что дисциплина «ТОЭ» входит в курс изучения большинства университетов России и других стран.

Таким образом, формирование основ для дисциплины «ТОЭ» начинается уже с 1905 года. В основную информацию этой дисциплины, на тот момент, входили: уравнения электрических цепей; основные их законы; различные методы расчёта, которые включали в себя метод контурных токов и метод узловых потенциалов, введены операторные методы расчёта и различные диаграммы (круговые, векторные, линейные).

Вывод

Полноценная наука ТОЭ брала свои истоки задолго до появления научных работ и лекций, посвящённых конкретно данной науке. Так, учёный - экспериментатор Майкл Фарадей, когда весь мир был ещё в неведении большинства законов электромагнитных явлений и электрической индукции, начинает на практике углублённое изучение этих законов, в последствии вводя понятие «электромагнитного поля». Последователь фарадеевской идеи физик-математик Д.К. Максвелл начинает более углублённое изучение наработок и идей своего предшественника и даёт им как математическое обоснование, так и аналитическое дополнение. Имея большое количество экспериментов Фарадея и математических анализов Максвелла перед учёными встаёт вопрос об объединении этой информации в одну, этим начинают занимаются русские профессора К.А. Круг и В.Ф. Миткевич, давая готовые собранные материалы в виде лекции студентам Московского и Петербургского университетов. Таким образом, в появлении полноценной науки ТОЭ, начиная с XIX и заканчивая нашим временем, принимали участие учёные со всего мира: английские учёный Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл, а также советские профессора Карл Адольфович Круг и Владимир Федорович Миткевич.

Список литературы

1. Максвелл, Д.К. Трактат об электричестве и магнетизме / Д.К. Максвелл. -- Москва: Книга по Требованию, 2012. -- Т. 1. -- 416 с. -- ISBN 978-5-45833151-7.

2. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи / Л.А. Бессонов. -- Москва: Высшая школа, 1964. -- Т. 1. -- 716 с.

3. Круг, К.А. Основы электротехники / К. А. Круг. -- Москва: Объединённое научно-техническое издательство, 1936. -- Т. 1. -- 887 с.

4. Фарадей, М. Избранные работы по электричеству / М. Фарадей. -- Москва - Ленинград: Государственное объеденное научно-техническое издательство ГОНТИ, 1939. -- Т. 1. -- 304 с.

Размещено на Allbest.ru