Основні етапи розвитку електротехніки

Вирішальна роль в сучасному науково-технічному прогресі належить електрифікації. Як відомо, під електрифікацією розуміється широке впровадження електричної енергії в рідне господарство і побут, і сьогодні немає такої галузі техніки, в тому чи іншому вигляді не використовувалася б електрична енергія в майбутньому її застосування буде ще більш розширюватися.

Під електротехнікою в широкому сенсі слова мається на увазі область науки і техніки, що використовує електричні і магнітні явища для практичних цілей.

Це загальне визначення електротехніки можна розкрити більш детально, виділивши ті основні області, в яких використовують електричні та магнітні явища: перетворення енергії природи (енергетична); перетворення речовини природи (технологічна); отримання та передача сигналів або інформації (інформаційна). Тому більш повно електротехніку моя визначити, як область науки і техніки, що використовує електричні і магнітні явища для здійснення процесів перетворення енергії і перетворення речовини, а також для передачі сигналів та інформації.

В останні десятиліття з електротехніки виділилася промислова електроніка з трьома її напрямками: інформаційне, енергетичне і технологічне, які з кожним роком набувають все більшого значення в прискоренні науково-технічного прогресу.

У розвитку електротехніки умовно можна виділити наступні шість етапів.

1. Становлення електростатики (до 1800 р)

До цього періоду відносяться перші спостереження електричних і магнітних явищ, створення перших електростатичних машин і приладів, дослідження атмосферної електрики, розробка перших теорій електрики, встановлення закону Кулона, зародження електромедіціни.

2. Закладка фундаменту електротехніки, її наукових основ {1800 - 1830 рр.)

Початок цього періоду ознаменований створенням «вольтова стовпа» - першого електрохімічного генератора, а слідом за ним «величезною найпаче батареї» В. В. Петрова, за допомогою якої їм була отримана електрична дуга і зроблено багато нових відкриттів. Найважливішими досягненнями цього періоду є відкриття основних властивостей електричного струму, законів Ампера, Біо - Савара, Ома, створення прообразу електродвигуна, першого індикатора електричного струму (мультиплікатора), встановлення зв'язків між електричними і магнітними явищами.

3. Зародження електротехніки (1830-1870 рр.)

Самим знаменною подією цього періоду стало відкриття М. Фарадеєм явища електромагнітної індукції, створення першого електромашинного генератора. Розробляються різноманітні конструкції електричних машин і приладів, формулюються закони Ленца і Кірхгофа, створюються перші джерела електричного освітлення, перші електроавтоматіческіе прилади, зароджується електровимірювальна техніка. Однак широке практичне застосування електричної енергії було неможливо через відсутність економічного електричного генератора.

4. Становлення електротехніки як самостійної відрости техніки (1870-1890 рр.)

Створення першого вигаданого електромашинного генератора з самозбудженням (динамо-машини) відкриває новий етап у розвитку електротехніки, яка стає самостійною галуззю техніки.

У зв'язку з розвитком промисловості, зростанням міст виникає гостра потреба в електричному освітленні, починається будівництво «будинкових» електричних станцій, що виробляють постійний струм. Електрична енергія стає товаром, і все більш гостро відчувається необхідність централізованого виробництва та економічної передачі електроенергії на значні відстані. Вирішити цю проблему на базі постійного струму було не можна через неможливість трансформації постійного струму.

Значним стимулом до, впровадження змінного струму з'явився винахід «електричної свічки» П. Н. Яблочкова та розробка їм схеми дроблення електричної енергії за допомогою індукційних котушок, які представляли собою трансформаторі розімкнутого магнітного системою. Однак однофазні двигуни були непридатні для цілей промислового електроприводу.

Одночасно розробляються способи передачі електричної енергії на великі відстані за допомогою значного підвищення напруги ліній електропередач.

Подальший розвиток електричного освітлення сприяло вдосконаленню електричних машин і трансформаторів; в середині 80-х рр. почалося серійне виробництво однофазних трансформаторів із замкнутою магнітної системою (М. Дері, О. Блаті, К. Циперновський).

Ідея П. Н. Яблочкова про централізований виробництві і розподілі електроенергії втілюється в життя, починається будівництво центральних електростанцій змінного струму. Однак розвивається виробництво вимагало комплексного вирішення складної науково-технічної проблеми: економічної передачі електроенергії на далекі відстані і створення економічного та надійного електричного двигуна, який відповідає вимогам промислового електроприводу. Ця проблема була успішно вирішена на основі багатофазних, зокрема трифазних систем.

5. Становлення і розвиток електрифікації (з 1891 р)

Найважливішою передумовою розробки трифазних систем було відкриття (1888 г.) явища магнітного поля. Перші багатофазні двигуни були двофазними.

Трифазна система виявилася найбільш раціональною, оскільки мала ряд переваг як перед однофазними ланцюгами, так і перед іншими багатофазними системами. У розробку трифазних систем великий внесок зробили вчені та інженери різних країн. Але як буде показано далі, найбільша заслуга належить М. О. Доліво-Добровольському, що зумів надати своїм роботам практичний характер, що створив трифазні синхронні генератори і асинхронні двигуни, трансформатори.

Переконливою ілюстрацією переваг трифазних кіл була знаменита Лауфен-Франкфуртська електропередач (1891 г.), споруджена за активної участі Доливо-Добровольського.

З цього часу починається бурхливий розвиток електрифікації: будуються потужні електростанції, зростає напруга електропередач, розробляються нові конструкції електричних машин, апаратів і приладів. Електричний двигун займає панівне становище в системі промислового приводу. Процес електрифікації поступово охоплює все нові галузі виробництва: розвивається електрометалургія, електротермія, електрохімія. Електрична енергія починає все більш широко використовуватися в найрізноманітніших галузях промисловості, на транспорті, в сільському господарстві і в побуті.

Широке застосування змінного струму зажадало теоретичного осмислення і математичного опису фізичних процесів, що відбуваються в електричних машинах, лініях електропередач, трансформаторах. Розширюються дослідження явищ в ланцюгах змінного струму за допомогою векторних і кругових діаграм.

Величезну прогресивну роль в аналізі процесів в ланцюгах зіграв комплексний метод, запропонований в 1893-1897 рр. Ч. П. Штейнмецу.

З розвитком великих енергосистем і збільшенням дальності електропередач виникла серйозна науково-технічна проблема забезпечення стійкості паралельної роботи генераторів електростанції, яка була вирішена вітчизняними і зарубіжними вченими. Теоретичні основи електротехніки стають базою навчальних дисциплін у вищих навчальних закладах і фундаментом наукових досліджень в області електротехніки.

6. Зародження та розвиток електроніки (перша чверть XX ст.)

Зростання потреби в постійному струмі (електрохімія, електротранспорт і ін.) Спонукав до створення у розвитку перетворювальної техніки, що призвело до зародження, а потім бурхливому розвитку промислової електроніки.

Електротехніка стає базою для розробки автоматизованих систем управління енергетичними та виробничими процесами. Створення різноманітних електронних, особливо мікроелектронних пристроїв дозволяє докорінно підвищити ефективність автоматизації процесів обчислень, обробки інформації, здійснювати моделювання складних фізичних явищ, рішення логічних задач і ін. При значному зниженні габаритів, пристроїв, підвищенні їх надійності та економічності.

Значний прогрес в електроніці намітився після створення великих інтегральних схем (ВІС), швидкодія їх вимірюється мільярдними частками секунди, а мінімальні розміри складають 2-3 мкм. Впровадження БІС призвело до створення мікропроцесорів, які здійснюють цифрову обробку інформації за програмою, і мікроЕОМ.

Швидкий розвиток мікроелектроніки зумовило виникнення і помітний прогрес нової галузі науки і техніки - інформатики. Уже на початку 80-х рр. як в нашій країні, так і за кордоном стали виготовляти мікропроцесори і мікроЕОМ в одному кристалі. Все це дає величезний ефект в підвищенні надійності, зниження габаритів і споживаної енергії мікроелектронних пристроїв, що використовуються в різних виробничих процесах, автоматизованих систем управління, на транспорті, в побутових пристроях.