Джеймс Клерк Максвелл, кавендишский профессор, 1871–1879 годы |
В поисках электричества
Первой полноценной работой по природному электромагнетизму был трактат «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английского ученого Уильяма Гильберта (1600). В нем он впервые ввел термин «электричество» и назвал электрическими тела, способные электризоваться. С начала XVII и до конца XVIII века 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-е годы (рис. 1). Но открытие Фарадея не было случайным, оно подготовлено работами многих физиков того периода.
В 1785 году 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 году итальянский ученый Александр Вольта создал электрохимический генератор вольтов столб – «слойку» из цинковых и медных дисков, разделенных прокладками, смоченными кислотой. Эксперименты с вольтовым столбом позволили изучить тепловое и магнитное действие электрического тока. Выполняя аналогичные опытные исследования, русский академик Василий Петров в 1802 году сконструировал батарею из 4200 медных и цинковых пластин, которая имела выходное напряжение 1700 В и полезную мощность 85 Вт.
Страница из записной книжки Максвелла с расчетом перемешивателя Джоуля. |
Опираясь на опыты предшественников и комбинируя результаты многочисленных собственных экспериментов, Майкл Фарадей напечатал обобщающий труд в области индукционного электромагнетизма – трактат «История успехов электромагнетизма». Изложенный в нем 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.
Через два года после открытия принципа электромагнитной индукции русский академик Эмилий Ленц в 1883 году 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) – 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...»
Энергию – в массы!
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.
Реплика электромотора, созданного Борисом Семеновичем (Мориц Херманн) Якоби. Фото из книги The Physics of Empire. Public Lectures. The Whipple Museum of History of Science. Cambridge, 1994 |
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 емкостные ЭМП с рабочим электрическим полем. Если мощность магнитных и электрических сил, действующих в общем объеме, соизмеримы, то можно говорить о действии совмещенных индуктивно-емкостных ЭМП с рабочим электрическим полем.
По сути дела, любой природный процесс преобразования энергии электромеханического характера можно моделировать как действие некоего совмещенного индуктивно-емкостного электромагнитного преобразователя энергии. 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» – уникальная природная структура, 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. Основные процессы на Земле происходят 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 электростатической энергии.
Рис. 1. Принципиальная схема первичного электродвигателя Майкла Фарадея. |
– в природных микроструктурах, особенно в биологических, в мире клеточных и субклеточных структур живой природы, процессах преобразования электромагнитной энергии основная роль принадлежит электрическому полю (действуют емкостные ЭМП, которые занимают область от точки минимума до примерно нескольких ватт);
– индуктивные ЭМП играют решающую роль в природных макросистемах (начиная с макросистем живых организмов до космических объектов) и господствуют в области больших мощностей (начиная от нескольких ватт до 1026 Вт и выше).
На шкале мощностей природных электромеханических преобразователей энергии земного действия имеются две «магические» точки: точка минимума Pп (min) = 10−17 Вт – мощность самого маленького биологического двигателя ворсинки бактерии и точка максимума Pп (max) = 6,5 x 1029 Вт – мощность униполярной «электрической динамо-машины» – планеты Земля.
Созданные человеком технические системы электромеханических преобразователей энергии копируют природные процессы энергопреобразования. В настоящее время человечество освоило некоторые участки узкого интервала шкалы мощностей, экспериментальными точками которого являются точка минимума Pт (min) = 10−8 Вт – мощность самого маломощного нанодвигателя и точка максимума Pт (max) = 0,5 х 109 Вт – мощность турбогенератора (самой мощной электрической машины, созданной человеком на сегодня).
Рис. 2. Предпочтительные области распределения электромагнитных преобразователей энергии на шкале мощностей. Иллюстрации автора |
Сегодня две трети электроэнергии, выработанной на электростанциях, преобразуется различными электроприводами в механическую энергию. Электрические двигатели постоянного и переменного тока строятся на мощности от долей ватта до десятков тысяч киловатт, на напряжении от нескольких вольт до десятков киловольт, а частоты вращения роторов электрических двигателей достигают 500 000 об/мин. Выпускаются двигатели, обеспечивающие точные угловые и линейные перемещения, работающие при температурах, близких к абсолютному нулю, и близких к 600оС; двигатели, работающие в агрессивных средах, в вакууме и при высоких давлениях.
Электродвигатели имеют бесчисленные конструктивные исполнения. Электромеханикам удавалось решить почти все проблемы, которые ставились перед человечеством научно-техническим прогрессом. Но нельзя забывать о некоторых основных проблемах индуктивной электромеханики: создании новых источников промышленного получения электроэнергии, замене дефицитных материалов и энергосбережении. Причем в понятие «энергосбережение» сегодня надо включить и затраты на производство и транспортировку материалов, а также на все аппараты, обслуживающие работу ЭМП.
Как в практике современных технических систем ЭМП, так и в области построения их теоретических основ сделано уже многое и достигнуты несомненные успехи. Но нельзя думать, что все основное уже завершено и остается только изучать созданное старшим поколением электромехаников. Сегодня перед электромеханиками стоят трудные и интересные проблемы, которые требуют глубокого знания теории, проектирования и технологии изготовления электрических машин.
Так, хотя емкостные ЭМП появились значительно раньше индуктивных, они до сих пор не нашли широкого практического применения. В последнее время в передовых научно-исследовательских центрах промышленно развитых стран мира ведутся интенсивные исследования по емкостному электромашиностроению. Успехи в области электротехнического материаловедения и создание на их основе суперконденсаторов с вакуумной изоляцией позволяют создавать автономные емкостные генераторы с вакуумной изоляцией, для которых при промышленно приемлемой напряженности рабочего электрического поля 50 кВ/мм реально получение удельной объемной мощности 500 кВт/м3.
При этом необходимо преодолеть ряд технологических трудностей, связанных с применением в качестве активных электродов материалов, имеющих максимальную чистоту поверхности, выдерживающих частоту вращения выше 1200 об/мин, а также учесть возможную работу ряда узлов в условиях глубокого вакуума (устройства коммуникаций, опоры вала, изоляционные выводы и т.д.).
Перспективное направление развития емкостного электромашиностроения – конструирование машин, у которых рабочее электрическое поле можно концентрировать в веществе с высокими диэлектрическими характеристиками – применять диэлектрики, такие как титанат бария, дигидрофосфат калия или другие жидкие или твердые сегнетодиэлектрические материалы.
Что же касается индуктивно-емкостных электромеханических преобразователей энергии, то здесь предстоит большая работа по созданию их теоретических основ и конструктивной реализации. Развитие совмещенной индуктивно-емкостной электромеханики на базе современной микросистемной технологии открывает большие перспективы для создания новых технологий в области природоподобной робототехники. Там большое внимание уделяется копированию процессов в биологических системах, получению и управлению сложнейшими движениями исполнительных механизмов, созданию микроЭМП и их систем, обеспечивающих перемещение тел в жидкостях, в воздухе и твердых фазах, как это делают птицы, рыбы и морские животные и даже черви.
Современный человек с рождения попадает в мир техники и технологии. Он пользуется его услугами в быту, работает с ним на производстве. На его глазах рождаются все новые и новые машины, приборы, инструменты и услуги. Но неизменной остается непреходящая роль электромеханики.
комментарии(0)