Читай!
Электромеханика вчера, сегодня и завтра

Электромеханика вчера, сегодня и завтра

Развивая известный тезис о том, что понятие “жизнь” неразрывно связано с движением, можно утверждать, что на сегодняшний день цивилизационный уровень жизни человечества связан с механическим движением и электричеством как самой удобной и универсальной формой энергии. Движение и электричество составляют суть современной электромеханической науки. Поэтому электромеханика всегда будет сопровождать процессы жизнедеятельности человека.

Автор/Авторы:
Кандидат технических наук, доцент С.В. Гандилян

Хотя электромеханике свойственна прикладная направленность, она не ограничена временными границами, как многие другие прикладные научно-технические направления. Взаимное преобразование механической и электрической энергии, то есть собственно электромеханика – постоянная основа научно-технического прогресса, определяющая развитие мощной традиционной энергетики, промышленности, транспорта, бытовой техники. Быстро возрастает роль электромеханики в новой экологически чистой энергетике (ветроэлектростанции, приливные и геотермальные энергоустановки) солнечные электростанции с турбинными циклами), в перспективной авиакосмической технике (полностью электрифицированные самолеты, летательные аппараты с электровращением винтов, использующие солнечную или энергию сверхвысокочастотного излучения, космические аппараты с электромеханическими системами ориентации, спутники с кинетическими аккумуляторами энергии, аппараты с газотурбинными энергоустановками и т.д.), в высокоскоростном транспорте с магнитной левитацией, в системах вооружения (электромагнитные пушки, кинетическое оружие для противоракетных систем и т.д.)

Первой полноценной работой по природному электромагнетизму был трактат “О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле”, английского учёного Уильяма Гильберта (1600 г.). В нём он впервые ввёл термин “электричество” и назвал электрическими тела, способные электризоваться. С начала XVII в. до конца XVIII в. параллельно с интенсивным развитием классической механики формулировались научные основы электрофизики и термофизики. Они стали базой интенсивного развития электроэнергетики и технической электромеханики в целом.

Принято считать, что первоисточником прогресса электромеханики, как полноценного самостоятельного научного направления, являются фундаментальные открытия английского ученого Майкла Фарадея в области индукционного электричества в 1818–1835-х гг. (рис. 1). Но открытие Фарадея не было случайным, оно подготовлено работами многих физиков того периода.

Рис. 1. Принципиальная схема первичного электродвигателя Майкла Фарадея.
Рис. 1. Принципиальная схема первичного электродвигателя Майкла Фарадея.

В 1785 г. француз Шарль Кулон сформулировал закон взаимодействия неподвижных электрических зарядов. В это время в России Андреем Болотовым, Иваном Кулибиным были изобретены переносные установки генераций движения электрических зарядов под действием электрического поля. Они использовались в лечебной практике и для проведения психологических опытов.

В 1799 г. итальянский учёный Александр Вольта создал электрохимический генератор – вольтов столб – “слойку” из цинковых и медных дисков, разделённых прокладками, смоченными кислотой. Эксперименты с вольтовым столбом позволили изучить тепловые и магнитные действия электрического тока. Выполняя аналогичные опытные исследования, русский академик Василий Петров в 1802 г. сконструировал батарею из 4200 медных и цинковых пластин, которая имела выходное напряжение 1700 В и полезную мощность 85 Вт.

В 1820 г. французские учёные Жан Батист Био и Феликс Савар сформулировали закон действия тока на магнит. В том же году Ханс Эрстед опубликовал работу, в которой описывалось отклонение магнитной стрелки под действием электрического тока, а Франсуа Араго предложил соленоид. В 1821 г. Гемфри Дэви обнаружил влияние на проводимость температуры и материала проводника. В 1824 г. опубликованы результаты исследований Георга Ома (закон Ома).

Опираясь на опыты своих предшественников, комбинируя результаты многочисленных собственных экспериментов, Майкл Фарадей напечатал свой обобщающий труд в области индукционного электромагнетизма трактат – “История успехов электромагнетизма”. Изложенный в нём закон электромагнитной индукции относят к 100 великим триумфам человеческого разума в области фундаментальной науки: от закона Архимеда, великих прозрений Пифагора и Аристотеля до квантовой механики, концепции “Большого взрыва” и создания интернета. Сегодня вся мировая индуктивная электромеханика (работа миллионов электродвигателей и генераторов, трансформаторов, дросселей и т.д.) основана на законе электромагнитной индукции Фарадея.

Через два года после открытия принципа электромагнитной индукции, русский академик Эмилий Ленц в 1883 г. установил правила определения направления индуцированного электромагнитного тока и принцип электромагнитной инерции. Это дало ему возможность уже тогда сформулировать принцип обратимости, лежащий в основе любого электромагнитного преобразования энергии.

Фундаментальное объяснение явления электромагнитной индукции дал английcкий физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879 гг.) – творец законченной физико-математической теории электромагнитного поля. Сам он отмечал, что всего лишь переводил идеи Фарадея в математическую форму. Но, вместе с тем, он дал замечательную характеристику взглядов своего предшественника: “Приступив к изучению труда Фарадея, я установил, что его метод понимания явлений был также математическим, хотя и не представленным в форме обычных математических символов...”.

Фарадей видел силовые линии, пронизывающие всё пространство там, где математики видели центры сил, притягивающих на расстоянии. Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояний. Он предполагал источник и причину явлений – в реальных действиях, протекающих в среде. Современники же Фарадея считали, что нашли источник электромагнитных явлений в силе действия на расстоянии, приписанной электрическим флюидам.

Найденные и точно сформулированные законы электромагнетизма породили мощный толчок к поискам путей их практического использования в процессах превращения электромагнитной энергии не только в световую, но и в механическую.

По современным научным представлениям можно утверждать, что окружающий нас мир состоит из преобразователей и накопителей энергии. В основе всего разнообразия природных явлений лежат четыре фундаментальных взаимодействия между элементарными частицами – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.

Процесс электромеханического преобразования энергии в окружающем нас Мире (от космологических макрообъектов до микрообъектов – биодвигателей, атомов и всего многообразия элементарных частиц), обусловленный непосредственным взаимодействием электромагнитных и гравитационно-инерциальных полей – это всеобщее и фундаментальное явление. Если сильные и слабые взаимодействия проявляют себя, как короткодействующие в микромире и предопределяют квантовый характер природы, то электромагнитные и гравитационные поля, определяющие дальнодействующий характер взаимодействия вещественных (инерционных) микроскопических и макроскопических тел, обуславливают процессы самоорганизации и эволюции в наблюдаемой нами Вселенной.

В природных процессах преобразования и накопления энергии одновременно могут участвовать и магнитные, и электрические поля. Если в том или ином природном процессе преобразования энергии преобладают магнитные силы, а электрическими можно пренебречь, то это значит, что действуют индуктивные электромагнитные преобразователи (ЭМП) энергии c рабочим магнитным полем. Если же преобладают электрические силы, то можно утверждать, что действуют ёмкостные ЭМП с рабочим электрическим полем. Если мощность магнитных и электрических сил, действующих в общем объёме, соизмеримы, то можно говорить о действии совмещённых индуктивно-ёмкостных ЭМП с рабочим электрическим полем.

По сути дела, любой природный процесс преобразования энергии электромеханического характера можно моделировать как действие некоего совмещённого индуктивно-ёмкостного электромагнитного преобразователя энергии. Его подсистемами являются нелинейно взаимодействующие индуктивные и ёмкостные ЭМП.

В электромеханических преобразователях (двигателях) электрическая энергия преобразуется в механическую. При этом обязательно часть электрической энергии переходит в тепло. В генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую и тепло.

Система “планета Земля + атмосфера” является уникальной природной структурой, где процессы преобразования и накопления поступающей от Солнца энергии дополняют друг друга. Почти все виды энергии, используемые человеком (электрическая, механическая, тепловая и световая), сводятся к солнечной энергии. Основная масса процессов на Земле происходит благодаря коротковолновой солнечной радиации, падающей на Землю. Эта радиация перерабатывается атмосферой, поверхностью Земли и океаном и излучается в космическое пространство в виде теплового длинноволнового излучения Земли. Огромные запасы энергии накоплены в виде природных ресурсов земных недр и в гидросфере. Вода выступает не только как носитель механической энергии потока, но и как аккумулятор структурированной энергии в ионосфере, которая вместе с поверхностью Земли является мощным конденсатором электростатического энергии.

Продолжение читайте в «Энергия: экономика, техника, экология» 5/2021.


Другие статьи

Архив статей