ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА (от
электро...
и
техника),
отрасль
науки и техники, связанная с применением электрич. и магнитных явлений
для преобразования энергии, получения и изменения хим. состава веществ,
произ-ва и обработки материалов, передачи информации, охватывающая вопросы
получения, преобразования и использования электрич. энергии в прак-тич.
деятельности человека.



Историческая справка.
Возникновению
Э. предшествовал длит, период накопления знаний об электричестве
и
магнетизме,
в
течение к-рого были сделаны лишь отд. попытки применения электричества
в медицине, а также для передачи сигналов. В 17-18 вв. исследованию природы
электрич. явлений были поев, труды М. В. Ломоносова,
Г. В. Рихмана,
Б.
Франклина,
Ш.
О. Кулона, П.
Дивиша
и др. Для становления Э. решающее значение
имело появление периого источника непрерывного тока - вольтова столба
(А.
Вольта,
1800),
а затем более совершенных гальванич. элементов, что позволило в 1-й трети
19 в. провести много-числ. исследования хим., тепловых, световых и магнитных
явлений, вызываемых электрич. током (труды В. В. Петрова, X. К.
Эрстеда,
Д.
Ф. Араго,
М.
Фарадея,
Дж.
Генри,
А. М. Ампера,
Г.
С. Ома
и др.). В этот период были заложены основы электродинамики,
открыт
важнейший закон электрич. цепи -
Ома закон. Среди попыток практич.
использования результатов этих достижений наиболее значительными были работы
в телеграфии
(электромагнитный телеграф П. Л. Шиллинга,
1832),
в военном деле (гальваноударные мор. мины Б. С. Якоба, 1840-е гг.), в области
электрич. измерений (индикатор электрич. тока, т, н. мультипликатор, австрийского
учёного И. К. Швейгера, 1820). Открытие электромагнитной индукции (1831-32)
предопределило появление электрических машин - двигателей и генераторов.
Поскольку все первые потребители электроэнергии использовали постоянный
ток (как наиболее изученный), первые электрич. машины были постоянного
тока машинами.
Исторически электродвигатели стали создаваться раньше
электромашинных генераторов, т. к. в 1-й трети 19 в. гальванич. элементы
как источники тока в большей или меньшей мере удовлетворяли требованиям
практики. Период совершенствования конструкции электродвигателя - от лабораторных
приборов, демонстрировавших возможность превращения электрич. энергии в
механическую (установка Фарадея, 1821), до машин пром. типа - охватывает
приблизительно 50 лет. В первых электродвигателях подвижная часть совершала
возвратно-поступат. или качат. движение, а момент на валу двигателя был
пульсирующим (напр., в двигателе Генри). Начиная с сер. 30-х гг. 19 в.
стали строиться двигатели с вращающимся
якорем,
Таким электродвигателем,
получившим практич. применение, был двигатель, разработанный Якоби (1834-38).
Испытание этого двигателя, приводившего в движение "электрический бот",
показало, с одной стороны, принципиальную возможность его практич. применения,
а с другой - необходимость создания более экономичного по сравнению с гальванич.
элементами источника электроэнергии. Таким источником стал электромашинный
генератор, прообразом к-рого была униполярная машина Фарадея (1831). Первыми
'практически пригодными электромашинными генераторами были магнитоэлектрич.
генераторы, в к-рых магнитное поле создавалось постоянными магнитами, а
якорями служили массивные индуктивные катушки (Якоби, 1842). В 1851 нем.
учёный В. Зинстеден предложил заменить постоянные магниты электромагнитами,
катушки
к-рых питались от самостоят, магнитоэлектрич. генераторов. Дальнейшее совершенствование
конструкции электромашинного генератора связано с использованием для возбуждения
обмотки электромагнита тока самого генератора. Такие генераторы с самовозбуждением
были
предложены почти одновременно дат. учёным С. Хиортом (1854), англ, инженерами
К. и С. Варли (1867), А.
Йедликом, Ч. Уитстоном, Э, В. Сименсом.
Пром.
произ-во генераторов было начато в 1870 в Париже после того, как 3. Т.
Грамм
впервые
применил в генераторе с самовозбуждением кольцевой шихтованный якорь, принципиальная
конструкция к-poro была предложена для электродвигателя в 1860 А. Пачинотти.
Генератор
Грамма работал не только в генераторном, но и в двигат. режиме, что положило
начало практич. внедрению принципа обратимости электрич. машин (открытому
Э. X. Ленцем,
1832-38) и позволило значительно расширить область
использования электрич. машин. Последующее совершенствование машин постоянного
тока шло по пути улучшения их конструктивных элементов - замена кольцевого
якоря барабанным (Ф. Хефнер-Алътенек,
1873), усовершенствование
шихтованных якорей (амер. изобретатель X. Максим, 1880). введение компенсац.
обмотки (1884), дополнит, полюсов (1885) и др. К 80-м гг. 19 в. электрич.
машины постоянного тока приобрели осн. конструктивные черты совр. машин.
Их совершенствованию способствовало открытие закона о направлении индукционных
токов (см. Ленца правило), обнаружение и исследование противоэдс
(Якоби, 1840) и реакции якоря (Ленц, 1847), разработка методов расчёта
электрич. цепей (Г. Р. Кирхгоф,
1847) и магнитных цепей (англ, учёный
Дж. Гопкинсон, нач. 80-х гг.), изучение магнитных свойств железа (А. Г.
Столетов,
1871)
и др. К кон. 70-х гг. относятся работы Дж. К. Максвелла,
сформулировавшего
уравнения (см. Максвелла уравнения), являющиеся основой совр. учения
об электромагнитном поле.

Наряду с электромашинными генераторами
продолжали совершенствоваться хим. источники тока. Значит, шагом в этом
направлении было изобретение свинцового аккумулятора (франц. физик
Г. Планте, 1859). Усовершенствованная конструкция этого аккумулятора к
80-м гг. уже имела все осн. элементы совр. аккумуляторов.

Создание надёжных источников тока сделало
возможным удовлетворение возросших потребностей в электрич. энергии для
практич. целей. Дальнейшее развитие Э. связано с возникновением
электротехнической
промышленности и массовым распространением электрич. освещения, к-рое
в 50-70-х гг. 19 в. заменило газовое. Идея применения электрической энергии
для освещения была высказана Петровым в 1802 после открытия дуги электрической.
Первыми
электрич. источниками света были разнообразные дуговые угольные лампы,
среди
к-рых наиболее дг.пёвой и простой была •"свеча Яблочкова" (П. Н. Яблочков,
1876).
В 1870-75 А. Н. Лодыгин разработал неск. типов ламп накаливания,
усовершенствованных позднее Т. А. Эдисоном
и получивших преимуществ,
распространение к 90-м гг. 19 в. Достижения в создании и применении электрич.
источников света оказали существ, влияние на становление и развитие светотехники.
С
распространением электрич. освещения связано создание электроэнергетич.
систем. Уже в первых осветительных устройствах Яблочкова имелись все осн.
элементы энергосистем: первичный двигатель, генератор, линия электропередачи,
трансформатор, приёмник энергии.

Начало применению электроэнергии для
технологич. целей положили ещё работы Якоби (1838), предложившего использовать
электрич. ток для получения металлич. копий и для нанесения металлич. покрытий
(см. Гальванотехника).

Но расширение области практич. использования
электрич. энергии стало возможно лишь в 70-80-е гг. 19 в. с решением проблемы
передачи электроэнергии на расстояние. В 1874 Ф. А.
Пироцкий
пришёл
к выводу об экономич. целесообразности произ-ва электроэнергии в местах,
где имеются дешёвые топливные или гидроэнергетич. ресурсы, с последующей
передачей её к потребителю. В 1880-81 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 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, технич. 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 к-рого можно было изменять
(повышать и понижать) с помощью однофазного трансформатора. Создание пром.
типа такого трансформатора (О. Блати,
М. Дери,
К. Циперновский,
1885,
и др.) по существу решило проблему передачи электроэнергии. Однако широкое
распространение однофазного переменного тока в пром-сти было невозможно
из-за того, что однофазные электродвигатели не удовлетворяли требованиям
пром. электропривода, и поэтому применение однофазного переменного тока
ограничивалось лишь установками электрич. освещения.

В 70-80-е гг. 19 в. электроэнергию
начали использовать в технологич. процессах: при получении алюминия, меди,
цинка, высококачеств. сталей; для резки и сварки металлов; упрочнения деталей
при термической обработке и т. д. В 1878 Сименс создал пром. конструкцию
электроплавильной печи. Методы дуговой электросварки были предложены
Н. Н. Бенардосом (1885) и Н. Г. Славяновым (1891).

К кон. 70-х гг. относятся также первые
попытки использования электроэнергии на транспорте, когда Пироцкий провёл
испытания вагона, на к-ром был установлен электрический тяговый двигатель.
В 1879 Сименс построил опытную электрич. дорогу в Берлине. В 80-е гг. трамвайные
линии были открыты во мн. городах Зап. Европы, а затем в Америке (США).
В России первый трамвай был пущен в Киеве в 1892. В 90-е гг. электрич.
тяга была применена и на подземных жел. дорогах (в 1890 в Лондонском метрополитене,
в 1896 - в Будапештском), а затем на магистральных жел. дорогах.

В кон. 19 в. пром. использование электроэнергии
превратилось в важнейшую комплексную технико-экономич. проблему - наряду
с экономичной электропередачей необходимо было иметь электродвигатель,
удовлетворяющий требованиям электропривода. Решение этой проблемы стало
возможным после создания многофазных, в частности трёхфазных, систем (см.
Трёхфазная
цепь) переменного тока. Над этой проблемой работали ми. инженеры и
учёные (Н. Тесла, амер. учёный Ч. Брэдли, нем. инж. Ф. Хазель-вандер
и др.), но комплексное решение предложил в кон. 80-х гг. М. О. Доливо-Доброволъский,
к-рый
разработал ряд пром. конструкций трёхфазных асинхронных двигателей,
трёхфазных
трансформаторов, и в 1891 построил трёхфазную линию электропередачи Лауфен
- Франкфурт (длина линии 170 км).

Современное состояние Э. Практич. применение
трёхфазных систем положило начало совр. этапу развития Э., к-рый характеризуется
растущей электрификацией пром-сти, с. х-ва, транспорта, сферы быта и др.
Увеличение потребления электроэнергии обусловило стр-во мощных электростанций,
электрич. сетей, создание новых и расширение действующих электроэнергетических
систем. Стр-во мощных ЛЭП высокого напряжения привело к разработке разнообразного
высоковольтного оборудования, электроизоляц. материалов, средств электроизмерит.
и преобразовав техники и т. д., а также стимулировало улучшение конструкций
электрич. машин и аппаратов, разработку методов анализа процессов в цепях
переменного тока (работы Ч. П. Штейнмеца
и др.). Совершенствование
электро-технич. устройств способствовало формированию таких науч. дисциплин,
как высоких напряжений техника,
теория электрических цепей, теория
электрич. машин, электропривод и др. Успехи Э. оказали существ, влияние
на развитие радиотехники и
электроники, телемеханики
и
автоматики,
а также вычислительной техники и кибернетики.

Один из важных разделов Э.- электромеханика
- охватывает вопросы преобразования энергии, практич. решение к-рых на
широкой науч. основе потребовало разработки спец. методов, связанных с
анализом и описанием процессов, протекающих именно в электротехнич. устройствах.
Математич. 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 к-рых наибольшее практич. применение при исследовании процессов,
протекающих в электрич. системах, машинах и аппаратах, находят методы:
исключения уравнений с периодич. коэффициентами для взаимно перемещающихся
цепей; выбора наиболее целесообразных систем обобщённых координат; анализа
переходных
процессов в электрич. цепях; определения устойчивости работы нерегулируемых
и регулируемых электрич. машин, связанных линиями электропередачи, и др.
Значит, вклад в развитие этих методов сделали А. А. Горев, П. С. Жданов,
С. А. Лебедев, амер. учёный Р. X. Парк, англ, учёные О. Хевисайд,
Г.
Крон и др. Их труды легли в основу математич. теории электрич. машин и
открыли возможность для применения сложного математич. аппарата (тензорного
исчисления, графов теории,
теории матриц, операционного исчисления)
при
решении разнообразных прикладных задач, в частности связанных с изучением
сложных электромеханич. систем, переходных электромеханич. и электромагнитных
процессов. Использование тензорного исчисления привело к появлению такого
приёма исследования, как диакоптика, при к-ром данные, характеризующие
всю сложную систему (напр., электрич. цепь, содержащую сотни и тысячи узлов
и ветвей), можно получать, рассматривая поведение её отд. частей. Особенно
эффективным стало употребление формализов. методов в сочетании с машинным
проектированием, являющимся одним из перспективных направлений при рассмотрении
совр. задач электромеханики (в частности, задач синтеза, решаемых на основе
алгебры
логики и теории направленных графов). Формализов. методы используют
при исследовании мн. проблемных задач Э., напр. таких, как изучение нелинейных
цепей (а также возникающих в них гармонич. и субгармонич. колебаний), проводимое
на основе методов анализа и синтеза, разработанных ранее для линейных цепей
в трудах А. М.
Ляпунова, Н. М. Крылова, Н. Н. Боголюбова,
Л.
И. Мандельштама,
Н. Д. Папалекси, А. А. Андронова
и
др. Важное направление совр. Э.- разработка теоретич. и экспериментальных
методов исследований, основывающихся на подобия теории, аналоговом
и физ. моделировании,
теории планирования эксперимента и позволяющих
решать ряд принципиальных научно-технич. проблем Э. К ним, в частности,
относятся вопросы совершенствования существуюших способов передачи электроэнергии
и разработка новых. В круг этих вопросов входят: исследования процессов,
протекающих в линиях электропередачи и преобразоват. устройствах; разработка
и совершенствование управляемых элементов коммутац. аппаратуры; создание
полупроводниковых преобразователей, способных эффективно работать в сочетании
с электромеханич. устройствами (см. Преобразовательная техника), а
также изучение возможности использования гиперпроводников и сверхпроводников
в линиях электропередачи.

Большое практич. значение имеет разработка
способов оптимального управления сложными электроэнергетич. системами и
повышения их надёжности. Решение этих задач основывается на использовании
методов моделирования и вероятности теории. Необходимое условие
для повышения устойчивости и надёжности работы электроэнергетич. систем
- создание мощных симметрирующих устройств, статич. регуляторов и др. аппаратуры,
обеспечивающей оптимальные режимы работы систем.

Важные направления Э.- создание сложных
электромагнитных полей с заданными свойствами, требующее разработки методов
расчёта и моделирования электрич. н магнитных полей в ферромагнитных, плазменных
и др. 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 (см. Импульсная техника
высоких
напряжений), в т. ч. разработка методов анализа взаимодействия таких полей
с веществом, исследование тепловых и электродинамич. процессов в электроэнергетич.
устройствах предельных параметров. Результаты этих работ находят применение
при создании магнито-проводов для сверхмощных
трансформаторов электрических
и
реакторов
электрических.

Теоретич. и эксперимент, методы Э.
нашли своё развитие в ряде др. 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 космич. пространства.

Достижения Э. используются во всех
сферах практич. деятельности человека - в пром-сти, с. х-ве, медицине,
быту и т. д. Электротехническая промышленность выпускает машины
и аппараты для произ-ва, передачи, преобразования, распределения и потребления
электроэнергии: разнообразную электротехнич. аппаратуру и технологич. оборудование;
электроизмерит. приборы и средства электросвязи; регулирующую, контролирующую
и управляющую аппаратуру для систем автоматич. управления; электробытовые
приборы и машины, мед. и науч. оборудование и др.

Научные учреждения в организации, периодические
издания. Большую роль в развитии Э. играют междунар. орг-ции: Междунар.
электротехнич. комиссия (МЭК). Междунар. конференция по большим системам
(СИГРЭ), Междунар. конференция по применению вычислит, методов в электротехнике
(ПИИСИСИ), Междунар. орг-ция по электротехнике (Интерэлектро). Всемирная
электротехнич. конференция (ВЭлК). Активное участие в работе этих opr-ций
принимают сов. учёные. В СССР науч. исследования по Э. проводятся во Всесоюзном
электротехнич. ин-те им. В. И. Ленина (ВЭИ, Москва), Гос. н.-и. энергетич.
ин-те им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН, Москва), Всесоюзном НИИ электромеханики
(ВНИИЭМ, Москва), Всесоюзном НИИ электропривода (ВНИИЭ, Москва), Всесоюзном
НИИ источников тока (ВНИИТ, Москва), Моск. энергетич. ин-те (МЭИ), Ленингр.
электротехнич. ин-те (ЛЭТИ), во Всесоюзном НИИ электромашиностроения (Ленинград),
НИИ постоянного тока (НИИПТ, Ленинград), а также во мн. науч. центрах др.
городов Сов. Союза.

Вопросы Э. освещаются на страницах
многочисл. периодич. изданий. В СССР издаются общесоюзные журналы "Элек-тричество",
"Электротехника", "Электрические станции" и др.; за рубежом наиболее
известны "EEI Bulletin" (N. Y., с 1933), "Energy International" (S. F.,
с 1963), "Revue cle i'energie" (P., с 1949), "Electrical Review" (L., с
1872).

Лит.: Основы электротехники,
под ред. К. А. Круга, М.- Л., 1952; Крон Г., Применение тензорного анализа
в электротехнике, пер. с англ.. М.- Л., 1955; История энергетической техники
СССР, т. 1 - 2, М.- Л., 1957; История энергетической техники, 2 изд., М.-
Л., I960; Уайт Д., By д сон Г., Электромеханическое преобразование энергии,
пер. с англ., М.- Л., 1964; Поливанов К. М., Теоретические основы электротехники,
2 изд., ч. 1, 3, М., 1972 - 75; Ж у х о в и ц к н и Б. Я., Негневицкии
И. Б., Теоретические основы электротехники, ч. 2, М.- Л., 1965; С е ш у
С., Рид М. Б., Линейные графы и электрические цепи, пер. с англ., М., 1971;
Мельников Н. А., Матричный метод анализа электрических цепей, 2 изд., М.,
1972; Нейман Л. Р., Д-е м и р ч я н К. ,С., Теоретические основы электротехники,
2 изд., т. 1- 2, Л., 1975; Стеклов В. Ю., В. И. Ленин и электрификация,
2_изд., М., 1975; Веселовский О. Н., Шнейберг Я. А., Энергетическая техника
и её развитие, М., 1976; Энергетика СССР в 1976 - 80 гг., под ред. А. М.
Некрасова, М. Г. Первухина, М., 1977. В. А. Веников, Я. Л. Шнейберг

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я