В целом же наука об электричестве и магнетизме к концу XIX века перешла в новый, более высокий уровень разви- тия. В ней закладывались основы теории электромагнитных полей.
Появился человек и его гипотеза, которую учёные долгое время не могли даже хорошенько понять и освоить.
* Джеймс Кларк Максвелл /1831-1879г./ - шотландец, родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге. Был он робким и замкнутым ребёнком, не расставался с книжками, рисовал, как все, писал стихи, но и быстро проявил большие способности к математике. В 15 лет он написал какую-то научную работу по геометрии, которую напечатали даже в ежегоднике Эдинбургского Королевского Общества. В 16 лет поступил в университет, изучал математику, физику и химию. Похоже, что все уважающие себя люди, будут ли они учёными или не будут, должны пройти через эти математику, физику и химию. А раньше учили ещё и астрономию!
Так вот, в 19 лет Максвелл продолжил учёбу в Кембридже. Впрочем, учёбу – это громко сказано. Ну как тогда, а может быть и сейчас там, у них учат? Такие вот чисто учебные дисциплины, курсы лекций по математике, по физике, возможно, и существовали. Никаких тебе этик, эстетик, психологии или философии, начерталки или сопромата, основ научных иследований или, упаси и помилуй, деловой мовы! В остальном, примерно так: какой-то известный учёный занимается своими исследования. У каждого ведь была почти-что своя лаборатория. А студенты помогают что-то измерить, что-то записать. Если деканат посчитает, что такие исследования можно прочитать в виде лекций студентам, преподаватель готовит цикл из 10-12 лекций и читает. Посещение, разумеется, свободное. Хочешь, чтобы в дипломе было записано: прослушал такой-то курс, пожалуйста, ходи. Экзамен сдавать не надо. Может быть предложат написать реферат по какой-либо теме. Гуляй сколько угодно, на занятия можешь не ходить, посиди в библиотеке и к концу семестра напиши свой реферат. Так, наверное, было и у Максвелла. В 1855 году он пишет работу «О фарадеевых силовых линиях», где поддерживает идею исследования электрического и магнитного воздействия на расстоянии.
|
|
|
В 25 лет Максвелл уже профессор Абердинского университета в Шотландии. Потом перебирается в Лондон: в 1860-1865 годах – профессор физики и астрономии в Кинг-колледже. А в 1871 году Максвелл приглашается на должность профессора экспериментальной физики в Кембриджский университет. Здесь специально была создана самая новая физическая лаборатория имени Г.Кавендиша, здесь же тогда собрались многие известные учёные, в общем это был центр научной и творческой деятельности. Максвелл стал первым руководителем лаборатории. Здесь он написал работу о равновесии колец Сатурна, занимался кинетической теорией газов, впервые указал на возможность получения различных цветов комбинацией из трёх основных цветов. Сам же он считал наиболее плодотворными 1860-1866 годы, когда занимался электричеством и магнетизмом, продолжая, по сути, развивать идеи Фарадея. Именно в 1864 году он сформулировал уравнения, которые явились обобщением всех известных прежде законов для электростатических и магнитостатических явлений, а также для явлений, сопровождающих протекание постоянного и переменного токов. Это были уравнения электродинамики, которые мы теперь называем уравнениями Максвелла. Из них следовало, что существуют на самом деле некие единые электромагнитные волны, и они распространяются в пространстве со скоростью близкой к скорости света. И Максвелл высказал эту научную гипотезу. Подтверждена она была Генрихом Герцем лишь в 1886 году, уже после смерти Максвелла.
|
|
|
Но попробуем, хотя бы, показать ход рассуждений Максвелла. Ведь, как говорили, у него вся лаборатория – это его голова!
Возьмём заряженный конденсатор. Всем известно, что между обкладками конденсатора существует электрическое поле. А если обкладки замкнуть проводником? Понятно, что потечёт ток, а поле в конденсаторе будет ослабевать. Ток будет, скажем так, изменяющимся. Но протекание тока, да ещё и изменяющегося, сразу создаст магнитное поле. Тут в силу вступает Фарадей со своими законами: если изменяется магнитный поток, то это приводит к появлению э.д.с. Таким образом, получается, что электрическое поле порождает магнитное, а то, в свою очередь, вновь создаёт электрическое. Здесь можно немного возразить: ток-то течёт в проводнике, следовательно, и поле возникает вокруг проводника. Причём здесь поле в конденсаторе? Это и так, и не так. Во-первых, то, что магнитное поле создано электрическим полем конденсатора, это факт. А во-вторых, разве ток протекает только в проводнике, а по диэлектрику конденсатора он разве не замыкается? Замыкается, в виде тока смещения. Но это нам легко об этом говорить, потому что уже знаем и о возможности тока смещения. Максвелл же осмыслил эти явления ещё глубже, и как бы сказал, что при изменении магнитного поля вокруг проводника, оно распространяется и наводит электрическое поле не только в самом проводнике, но и в диэлектрике конденсатора. И что процесс идёт волнообразно: то туда, то сюда. Вот откуда появилась мысль о единых электромагнитных волнах. Они должны здесь существовать, как существуют волны в упругих телах, или волны световые.
|
|
|
Процесс взаимодействия идёт во времени, это динамический процесс. И он может быть описан лишь динамическими, т.е. дифференциальными или интегродифференциальными уравнениями. С точки зрения математики они имеют многозначное решение. Значит, для получения результата и принятия следующего положения необходимо вернуться к физическому толкованию. Максвелл поступал именно так: исходное физическое явление описывал формально математически, а затем каждое последующее урав-нение, его необходимость, увязывал физическим объяснением.
|
|
|
В системе уравнений, которые Максвелл сформулировал в 1864 году, основных уравнений два:
[ 1 ]
[ 2 ]
Суть, физическая трактовка уравнений в том, что вихрь магнитного поля [ rot H] создаётся либо током проводимости [ γΕ ], либо изменением поля в диэлектрике [ εа˙ ∂Е ∕ ∂t] . А вот вихрь, зародыш электрического поля [ rot E] является плодом только изменяющегося магнитного поля [ - μа˙ ∂Н ∕ ∂t ] .
Здесь чувствуется некая несимметрия системы и как бы её незавершённость. Ведь тогда уже было известно, что электрическое поле может быть создано и неподвижными кулоновыми зарядами. Поэтому Максвелл вводит два дополняющих уравнения. Но как их ввести? Они ведь не должны нарушить описанную первыми уравнениями физическую сущность явления, но и должны полностью соответствовать математике. И он разъясняет математически уже имеющиеся в уравнениях векторные величины Н и Е:
[ 3, 4]
Дело в том, что в математике, чтобы полностью определить векторную величину, надо указать не только ротор rot функции, но и её дивергенцию – div. Вот он и указал это. А то, что дивергенция, исток, начало электрического поля может быть и в точках расположения свободных электрических зарядов отражено через плотность заряда в любой точке пространства - ρсвоб.
Только вот теперь, после такого примера, после длительных объяснений, можно оценить гениальность Максвелла.
Эту систему уравнений и связанную с ней электромагнитную теорию света Максвелл изложил в работе «Динамическая теория электромагнитного поля», как уже упоминалось, в 1864 году. Тогда её никто не понял и не воспринял. Потом последовали другие работы: о Сатурне, о газах, о смешении цветов. И ещё 9 лет он работал над этой теорией, чтобы изложить её наиболее полно и глубоко в своём «Трактате об электричестве и магнетизме» в 1873 году. Здесь он даёт наглядный рисунок распространения синусоидальной волны, пользуется современными обозначениями, уравнения выражает в векторной форме через оператор Гамильтона /набла/, в общем старается сделать работу понятной для современников. В трактате, помимо теории поля, он много внимания уделяет электротехническим измерениям и расчётам электрических цепей. Кстати, две формы применения уравнений Кирхгофа /для контурных токов и для узловых потенциалов/ из этого трактата Максвелл читал в виде лекций студентам в Кембриджском университете. И что же, помогло? Нет, не помогло. Даже учёные-электротехники никак не могли освоить чрезмерно новые и неожиданные мысли и выводы Максвелла.
Спустя 14 лет Генрих Герц /1857-1894г./, немецкий физик, всю свою короткую жизнь занимавшийся исследованием электромагнитных волн, экспериментально доказал, что они есть, что они тоже преломляются, отражаются, обладают свойством интерференции и поляризации. Так вот уже Герц попытался более просто и систематично изложить теорию Максвелла. Крупный исследователь в области электролиза Вильгельм Гитторф, много слышавший о новом учении об электричестве, попытался уже в преклонном возрасте изучать Трактат, но не смог пробиться через путаницу непривычных формул и понятий. Это привело его в состояние глубокой депрессии. Коллеги убедили съездить отдохнуть в Гарц. Но когда они перед отъездом нечаянно заглянули в чемодан Гитторфа, то обнаружили в нём… оба тома Трактата.
Несмотря на то, что теория Максвелла лежит в основе всей проводной и беспроводной связи, несмотря на широчайшее распространение различных видов преобразования и передачи электромагнитной энергии, преподавать теорию Максвелла инженерам-электрикам стали лишь спустя 50 лет после опубликования самого Трактата.
Джеймс Кларк Максвелл своими научными трудами открыл новую область развития науки об электромагнитных явлениях - он заложил основы теории электромагнитных полей - ТЭМП.
Умер Максвелл 5 ноября 1879 года, всего лишь на 48 году жизни.
В развитии же теории электрических цепей в послемаксвелловский период очень важным для электротехники было изобретение Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским трёхфазной электрической системы. В России, как всегда, не смогли оценить то, что имели, не нашлось денег, поэтому он работал в Америке на «Дженерал-Электрик».
В 1889-1891 годах он разработал и внедрил все элементы трёхфазной системы: генератор, трансформатор, линию электропередачи и электродвигатель. Преимущества трёхфазной системы оказались настолько весомыми, что вскоре именно 3Х-фазные системы стали преобладающими во всём мире. На сегодня, например, 98.2% всех электрических машин являются трёхфазными.
Одним из заметных событий можно считать введение американским инженером Чарльзом Протеусом Штейнметцем в 1903-1904 годах метода комплексных амплитуд, или, как он сам его называл, символического метода расчёта электрических цепей. На самом деле Ч.П. Штейнметц не американец, а еврей немецкого происхождения. Работать в Америке ему, наверное, пришлось по всем известной причине. Недаром же, узнав о революции в России, о её плане ГОЭЛРО, Штейнметц предложил Ленину и свою посильную помощь.
Повторюсь, это был период повсеместной, в самых различных областях, бурной отдачи науки практической электротехнике.
XX век. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ОБРАЗОВАНИЕ.
Из наших кратких штрихов по истории электротехники всё же можно заметить, что все учёные работали в университетах, и многие из них были прекрасными преподавателями.
Наука, исследования всегда требовали от человека не только желания, преданности, самоотдачи, но обязательно и высокого уровня образования. Исторически глубоки корни математики, механики, астрономии, философии. А вот в понятии «физика» в XVIII—XIX веках аккумулировались сразу несколько областей знаний. В то же время шло бурное накопление знаний об электрических и магнитных явлениях, особенно в предыдущем веке. Поэтому было исторически важно организовать высшее электротехническое образование, создать научные дисциплины, в которых бы излагались теоретические вопросы электротехники.
В России первым учебным заведением электротехнического профиля стало Петербургское техучилище телеграфных инженеров в 1886 году. Через пять лет оно было преобразовано в электротехнический институт ЛЭТИ.
Как самостоятельная дисциплина курс ТОЭ начал формироваться в 1904 году в Петербургском политехническом институте, где академик В.Ф.Миткевич начал читать курс «Теория электрических и магнитных явлений». В 1905 году в МВТУ профессор К.А.Круг читает сначала курс «Теория переменных токов», а затем «Основы электротехники».
В 1916 году вышел первый учебник К.А.Круга «Основы электротехники», но он охватывал уже все вопросы современного курса ТОЭ. Карл Арнольдович Круг многие годы проработал в Московском энергетическом институте. В память о нём в институте создана мемориальная лаборатория.
В последние годы авторами наиболее интересных и пользующихся популярностью учебников были преподаватели Московских вузов: Л.А.Бессонов, Г.В.Зевеке, Г.И.Атабеков, П.А Ионкин, а также последователи Ленинградской школы: Л.Р. Нейман и Камо Серопович Демирчян. Из украинских учебников на сегодня имеется только один – «Теоретическая электротехника», написанный Владимиром Степановичем Перхачем в 1993 году.
В Донецком техническом университете также издано достаточно много учебно-методической литературы по курсу ТОЭ. Это учебные пособия, методические указания по выполнению расчётно-графических работ, лабораторных работ, пособие по физическим основам электротехники, пособие по подготовке к участию в олимпиадах. В отличие от учебников, которые достаточно объёмны /по 480-530страниц/, пособия учитывают принятую именно в нашем университете методику изложения курса и имею-щуюся лабораторную базу. Для истории приведём перечень лишь основных пособий.
*Методические указания, типовые примеры и задания по курсу ТОЭ для решения в системе АМО. Физические основы электротехники: интегрально-дифференциальные связи в простейших цепях RLC. Авторы: Э.С.Мерзликин, В.Х.Антамонов, В.П. Чорноус. ДПИ, 1988г., -59с.
*Методические указания к решению избранных задач по линейным электрическим цепям. Авторы: В.Х.Антамонов, И.А. Курило, И.Е.Рахний. КПИ, 1989г., -72с.
*Рыбалко Н.П. Линейные цепи постоянного и однофазного синусоидального токов в установившихся режимах. Методы анализа и расчёта. Киев, 1991г., -136с.
*Рыбалко Н.П. Трёхфазные цепи синусоидального тока. Методы анализа и расчёта. Киев, 1991г., -64с.
*Антамонов В.Х., Курило И.А. Избранные задачи по линейным электрическим цепям /продолжение/. Киев, 1993г., -96с.
*Рыбалко Н.П., Эсауленко В.А. Нелинейные электрические и магнитные цепи в установившихся и переходных режимах. Киев, 1994г. –196с. На укр.языке.
*Рыбалко Н.П., Эсауленко В.А. Переходные процессы в линейных электрических цепях с сосредоточенными параметрами. Донецк, ДонГТУ, 1999г. –172с. На укр.языке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
В этих очерках по истории развития электротехники мы, по возможности подробно, рассказали о жизни и научной работе учёных XVIII-XIX веков, внесших большой вклад в развитие физики и электротехники. Остановились на двадцатых годах тоже уходящего вот-вот ХХ-го века.
Что ж, большое действительно видится на расстоянии !
1600 год – Уильям Гильберт, первая попытка систематизировать накопленные знания об электрических и магнитных явлениях.
1800 год – Алессандро Вольта создаёт первый источник длительного постоянного тока.
1820 год – Ганс Эрстед подтверждает воздействие тока в проводнике на магнитную стрелку.
1822 год – Андре Ампер формулирует закон взаимодействия двух проводников с токами.
1827 год – Георг Ом формулирует свой закон для простейших цепей постоянного тока.
1831 год – Майкл Фарадей открывает явление электромагнитной индукции. Его дополняют Эмилий Ленц и Джозеф Генри.
1847 год – Густав Кирхгоф формулирует два правила-закона протекания токов в электрических цепях.
1848 год – Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц формулируют закон о тепловом воздействии электрического тока.
Теория электрических цепей практически закончена.
1832-1893 годы – бурное внедрение электротехнической науки в практически полезную электротехнику: создан электродвигатель, свинцовый аккумулятор, телеграф, трансформатор, электроосвещение, трёхфазная система, построена электростанция, появляется радиосвязь.
Совершенстуются методы расчёта электрических цепей: появляется операторный метод расчёта переходных процессов, символический метод расчёта цепей в установившихся режимах, метод симметричных составляющих.
1864 и 1873 годы – Джеймс Кларк Максвелл формулирует уравнения электродинамики и выдвигает гипотезу о существовании единых электромагнитных волн. Это уже переход в новый этап развития науки об электрических и магнитных явлениях - в теорию электроманитных полей.
С 1886-1891 года, можно считать, начинает отсчёт электротехническое образование в России, а значит и в Украине.
Как видим, вся история электротехники укладывается в одно столетие – это « золотой 19-й век ». Но заканчивается и двадцатый век.
-------------------***---------------------
Лауреаты Нобелевской премии по физике за 1901-1965 гг.
США - 22 чел. Англия - 16 чел.
Германия - 13 чел. Франция - 4 чел.
Голландия - 4 чел. СССР - 4 чел.
Италия, Швеция, Дания, Китай, Япония - по 2 чел.
Шеренга великих физиков
1. Уильям Гильберт 1540-1603г. англ. 63года, врач.
2. Исаак Ньютон 1642-1724г. англ. 82года, физик, мат.
3. Михайло Ломоносов 1711-1765г. русск. 54года, физик, хим.
4. ШарльОгюстен Кулон 1736-1806г. франц.70лет, сопромат.
5. Алессандро Вольта 1745-1827г. итал. 82года, физик-эл.
6. Пьер Симон Лаплас 1749-1827г. франц.78лет, математик.
7. Ганс Христиан Эрстед 1777-1851г. датч. 74года, физик-эл.
8. Андре Мари Ампер 1775-1836г. франц.61год, физик-эл.
9. Карл Фридрих Гаусс 1777-1855г. немец 78лет, математик.
10.Георг Симон Ом 1789-1854г. немец 65лет, физик-эл.
11.Майкл Джемс Фарадей 1791-1867г. англи. 76лет, химик-эл.
12.Джозеф Генри 1797-1878г. америк81год, физик-эл.
13.Эмилий Христиан.Ленц 1804-1865г. русск. 61год, физик-эл.
14.Джемс Прескотт Джоуль1818-1889г. англ. 71год, пиво-эл.
15.Густав Роберт Кирхгоф 1824-1887г. немец 63года, физик-эл.
16.Джемс Кларк Максвелл 1831-1879г. шотл. 48лет, физик-эл.
17.Генрих Герц 1857-1894г. немец 37лет, эл-волны
18.Никола Тесла /рост >2м/ 1856-1943г. хорват 87лет, эл.двигат
19.Столетов Александр Гр. 1839-1896г. русск. 57лет, свет, В(Н)
20.Попов Александр Степан.1859-1905г. русск. 46лет, р-волны.
21.Лебедев Пётр Николаевич1866-1912г. русск. 46лет, свет,волн
Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 58; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!