Введение. 
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ТЕХНИКЕ

Электромагнитные процессы определяют природные явления и играют важную роль в жизни и деятельности человека. В современном промышленном производстве, на транспорте и в быту широко используются приборы и технологии, базирующиеся на явлениях электромагнетизма (рис. В.1).

В промышленном производстве нашли применение такие эффективные технологические процессы, как гальваническое нанесение покрытий, электроискровые методы обработки материалов и др. Электропривод обеспечивает работу механизмов и транспортных средств. Электрическая энергия используется для освещения производственных и жилых помещений, а в ряде случаев — для их отопления.

Электронные системы управления служат технической базой комплексной автоматизации. С помощью электрических сигналов осуществляются телевизионное вещание и связь, работают устройства вычислительной техники, функционируют системы охранной сигнализации и многое другое. Существенно расширился перечень электрических приборов для диагностики и лечения заболеваний в медицине.

Рис. В. 1. Области использования электричества Электроэнергию можно передавать на большие расстояния, а также просто, быстро и экономично превращать в необходимые пользователю виды энергии: механическую, тепловую, химическую, световую. Вместе с тем практически отсутствуют природные источники электроэнергии, и для ее технического получения применяется превращение других форм энергии: тепловой, химической, механической, атомной. Особенностью электрической энергии является одновременность ее выработки и использования из-за отсутствия достаточно мощных накопителей (аккумуляторов). Потребление энергии человечеством непрерывно растет, и важнейшая задача электротехники заключаются в создании устройств, осуществляющих производство электроэнергии, ее доставку пользователю и преобразование в форму с требуемыми для потребителя параметрами.

Для решения проблемы снабжения множества различных потребителей электрической энергией, обладающей заданными качественными показателями, применяют электрические системы и сети. Электрические устройства, предназначенные для преобразования при больших мощностях напряжений и токов, но форме близких к синусоидальным, называют силовыми. Электронные средства обработки сигналов контроля и управления, оперирующие с относительно малыми значениями электрического тока, относят к информационным, или слаботочным, устройствам. В таких системах информационные сообщения осуществляют модуляцию электрического сигнала, т. е. изменение одного из параметров, например частоты синусоидального напряжения.

Существенный рост насыщенности помещений бытовыми электроприборами, а также значительное повышение энергоемкости электрооборудования в промышленности и на транспорте привели к значительному росту создаваемых ими электрических и магнитных полей. Это ставит сложную проблему электромагнитной совместимости, т. е. обеспечения правильного функционирования электронных приборов в присутствии естественных и техногенных электромагнитных помех, образующихся при работе силовых установок.

Расширение производства разнообразного электротехнического оборудования и электрических приборов (электродвигателей и электрогенераторов, электроэнергетических преобразователей, электрохимических источников и т. п.) привело к образованию отдельных технических отраслей с собственными научными направлениями (электромеханика, электроэнергетика, электрохимия). Создание электронных средств измерения, связи, обработки и отображения информации также способствовало выделению отдельных научно-технических областей (силовые преобразователи, микроэлектронные приборы, оптоэлектронные устройства обработки и отображения информации). В результате появилось большое число отраслей науки и техники, объединенных использованием явлений электромагнетизма (рис. В.2).

Сложность и многогранность проблем разработки и эксплуатации электротехнических приборов и комплексов обусловили создание научного направления, посвященного общим методам описания электромагнитных устройств и названного теоретической электротехникой.

Научные направления, имеющие конкретные задачи и области применения, характеризуются своими способами описания явлений и процессов, используемым математическим аппаратом, а также терминологией и обозначениями, с помощью которых формулируются общие методы и правила. В результате одни и те же положения электромагнетизма в разных предметных областях могут иметь отличающиеся формы записи и интерпретацию. Это обусловлено всей многовековой историей развития техники и теории электромагнетизма.

Длительным наблюдениям электромагнитных явлений и накоплению фактов сопутствовало построение гипотез и теоретических обобщений, которые соответствовали существующему объему знаний. Сложность электрических и магнитных явлений, а также невозможность их объяснения на основе механистических представлений привели к тому, что построение теории электромагнетизма началось только в XVII в.

Первые обстоятельные научные исследования магнитных и электрических явлений связывают с именем придворного медика английской королевы У. Гильберта, выход в свет основополагающего труд которого «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600) считают началом эпохи электричества.

Рис. В.2. Научно-технические направления использования электромагнетизма.

Рис. ВЗ. Основные вехи становления техники и теории электромагнетизма Сочинения Гильберта обусловили интерес к электрическим и магнитным явлениям, что стимулировало разработку технических устройств, создание теоретических гипотез и формулирование законов электромагнетизма (рис. В. З).

Для проведения опытов требовались источники электричества, что привело к изобретению в 1670 г. лордом г. Магдебурга О. Герике электростатической машины для получения зарядов посредством трения. Затем в 1745 г. были созданы устройства для накопления и хранения зарядов (лейденские банки), представляющие собой разновидность конденсатора. Изобретение членом Парижской академии Ш. Кулоном крутильных весов и исследование с их помощью взаимодействия заряженных тел позволило получить (1788) формулу силы взаимодействия двух зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Профессор анатомии Болонского университета Л. Гальвани, специализирующийся в области физиологии нервов и мышц, при проведении опытов с электростатической машиной обнаружил сокращение мышц лапок лягушки и в 1791 г. на заседании научного сообщества объявил об обнаружении источника «живого» электричества. Фактически Гальвани открыл постоянный ток (поток электрических зарядов), что предоставило огромные возможности изучения электромагнитных явлений. Представления Гальвани о роли животного электричества в биологических процессах и многочисленные опыты означали зарождение новой науки — электробиологии.

Соотечественник Л. Гальвани итальянский физик А. Вольта поставил новую серию опытов, в результате которых установил, что если два разных металла, разделенных проводящей жидкостью, соединить внешним проводником, то в нем создается поток электрических зарядов (ток). Согласно разработанной англичанином Г. Дэви теории электрический ток в таком элементе образуется благодаря химической реакции, в которой участвуют оба металла и разделяющий их раствор. Поэтому 1800 г. — год опубликования открытия А. Вольта — можно считать датой рождения нового научного направления — электрохимии, а также создания источника постоянного тока. Эффект теплового действия тока, т. е. нагревания проводников, был использован академиком В. Петровым для демонстрации возможности плавки металлов (1802). Появляющийся между электродами разряд («вольтова дуга») свидетельствовал о возможности получения света с использованием электрической энергии.

В 1820 г. профессор химии Копенгагенского университета Г. X. Эрстед установил факт воздействия электрического тока на подвешенную магнитную иглу, т. е. доказал связь силы, действующей на магнит, с электрическим током, что послужило основой разработки приборов для измерения тока. Развивая идеи Эрстеда, французский физик А. Ампер в результате поставленных опытов по исследованию взаимодействия токов между собой показал, что катушка с током (соленоид) эквивалентна по магнитным свойствам плоскому магниту, и сформулировал правило, по которому осуществляется взаимодействие токов. Возможность создания электрического тока под действием магнитных сил исследовал английский физик М. Фарадей, который опытным путем установил, что при движении магнита относительно витка из провода на зажимах последнего индуцируется электродвижущая сила. Этот эффект послужил идеей создания электромеханического генератора (электрической машины).

Таким образом, к 40-м гг. XIX в. была экспериментально доказана неразрывная связь электрических и магнитных явлений, которые стали рассматривать в рамках единой теории электромагнетизма. Описание известных законов в виде системы математических уравнений единого электромагнитного поля предложил в 1862 г. английский ученый Д. К. Максвелл, который предположил существование электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве со скоростью света с ~ 3 • 10⁸ м/с. В 1886 г. немецкий физик Г. Герц не только экспериментально получил электромагнитные волны, но и опытным путем доказал, что их поведение полностью аналогично световым лучам (прямолинейное распространение, отражение, преломление).

Создание широкой номенклатуры источников электроэнергии способствовало изучению тока в различных материальных средах. Английским ученым химиком Г. Дэви была теоретически обоснована связь химических преобразований с электрическими явлениями, продолжение исследований М. Фарадеем позволило ему получить количественные соотношения электролиза. Анализ полученных выражений позволил обосновать дискретность электрического заряда иона. Ирландский физик Д. Стоней рассчитал минимальное значение электрического заряда е = 1,6 • 10 ¹⁹ Кл и в 1891 г. высказал гипотезу о существовании зарядов внутри атома, а минимальный электрический заряд е предложил назвать электроном. Факт существования в природе элементарных электрических зарядов был установлен при исследовании электрического тока в разреженных газах английским физиком Дж. Дж. Томсоном в 1898 г. Открытие электрона способствовало созданию моделей атома. В 1911 г. английский физик Э. Резерфорд предложил планетарную модель, состоящую из положительно заряженного ядра, вокруг которого по орбитам вращаются электроны.

Из полученных результатов вытекало важное следствие о строении материальных тел: все вещества в природе, в том числе живая ткань, состоят из огромного количества заряженных частиц. Следовательно, электромагнитные явления участвуют в любых реакциях (химических, биологических). Накопленные экспериментальные данные позволили нидерландскому физику X. Лоренцу разработать классическую электронную теорию, с помощью которой удалось объяснить многие электрические и оптические явления.

Во второй половине XIX в. практическое использование электромагнетизма приобретает новое качество, характеризуемое переходом от изготовления единичных опытных образцов технических устройств к разработке и выпуску промышленных изделий. Для производства электрических устройств определенных классов (электродвигатели и электрогенераторы, электрический транспорт, электроэнергетические установки) стали выделяться отдельные технические отрасли и научные направления (электромеханика, электроэнергетика, электрохимия и т. п.). В результате к концу XIX в. сформировался ряд отраслей электротехнической промышленности: электроэнергетика, электрические системы и сети, электрические машины и электропривод, электрический транспорт, электромашиностроение.

Становление и развитие машинной индустрии стимулировало разработку электрических двигателей. Электродвигатель постоянного тока был создан в 1838 г. русским ученым Б. С. Якоби. Удобство эксплуатации и экономичность электрических двигателей инициировали работы по их использованию на транспорте. В 1879 г. в Берлине был пущен трамвай с электрической тягой, а в 1890 г. в Лондоне были применены вагоны метро, оснащенные электроприводом.

Создание промышленных электрогенераторов и изобретение французским физиком Г. Планте свинцового аккумулятора предоставили возможность широкого применения электричества в производственных механизмах и бытовой технике. Для производства металлов Э. В. Сименс в 1878 г. разработал конструкцию электроплавильной печи. Начали развиваться гальванотехника, ориентированная на нанесение упрочняющих металлы покрытий, производство алюминия посредством электролиза, применение электросварки. Весьма перспективным оказалось также использование электричества для освещения. Вначале газовые светильники заменили дуговыми угольными приборами на основе «свечи Яблочкова». На смену им пришли разработанные П. Н. Яблочковым и усовершенствованные Т. А. Эдисоном лампы накаливания.

Дальнейшее развитие электротехнической промышленности стол к пул ос [> с проблемой передачи электроэнергии па значительные расстояния при обеспечении приемлемого уровня потерь. Практически в одно время Д. А. Лачинов и М. Денре предложили для передачи заданной электрической мощности использовать высокое напряжение порядка нескольких тысяч вольт. Первая высоковольтная линия длиной около 60 км была построена Дейре (1882) в Германии. Широкому использованию систем постоянного тока препятствовали трудности преобразования уровней напряжений и токов при передаче и потреблении. Создание М. О. Доливо-Добровольским трехфазных электродвигателей и промышленных трансформаторов дало возможность разработки эффективных систем электрического привода и использования переменного тока в промышленности. Для передачи электроэнергии стали применять экономичные трехфазные линии электропередач.

На рассматриваемом историческом этапе была разработана широкая номенклатура электромеханических измерительных приборов (амперметров, вольтметров, ваттметров, фазометров и др.), которые широко использовались до конца XX в. и даже применяются в настоящее время. В этой связи большое значение имело обеспечение единства измерения электрических величин, которое было принято в 1881 г. Первым конгрессом по электричеству. Таким образом, сформировалась отрасль электроприборостроения.

По мере развития техники наряду с преобразованием энергии электричество начинало использоваться в других областях. В 1832 г. П. Л. Шиллинг сконструировал телеграфный аппарат. После создания С. Морзе системы кодирования электрических сигналов телеграфная связь стала весьма быстро распространяться и совершенствоваться в направлении осуществления двухсторонней (дуплексной) связи. Следующий этап становления электросвязи характеризуется изобретением и совершенствованием телефона (Т. Э. Эдисон, Р. Белл). Широкое распространение телеграфной и телефонной связи привело к созданию кабельной промышленности, занимающейся проектированием и изготовлением различных линий электросвязи. Создание на базе изобретения А. С. Поповым и Г. Маркони радиоприемных и передающих устройств послужило основой становления и развития радиосвязи.

Радиотехнические устройства различных видов и назначения получили весьма широкое распространение благодаря созданию электронных компонентов. В результате открытия термоэлектронной эмиссии (испускания электронов из нагретого металла) были изобретены различные типы электровакуумных ламп. С использованием их нелинейных свойств была разработана совокупность преобразователей электрических сигналов. Созданные на их основе электронные блоки стали основой функционирования систем радиотехники и телевидения, средств измерения и управления, вычислительных машин и систем, приборов медицинского диагностирования и лечения.

Новый этап развития и применения электронных систем связан с разработкой и промышленным производством полупроводниковых приборов. Этому предшествовали циклы работ по исследованию процессов в полупроводниках и контактах полупроводников с отличающимися свойствами, а также полупроводника с металлом. Рубежной датой рождения полупроводниковой электроники считают конец 1940;х — начало 1950;х гг., когда были изготовлены биполярный (1948) и полевой (1952) транзисторы. Существенное снижение размеров и потребления транзисторных схем, но сравнению с ламповыми аналогами в сочетании со значительным увеличением надежности устройств способствовало увеличению выпуска электронной аппаратуры и ее массовому использованию. Всего за одно десятилетие полупроводниковая технология перешла от изготовления отдельных транзисторов к производству в едином технологическом цикле интегральных микросхем (ИМС), которые в одном корпусе содержат сложнейшие функциональные блоки.

Изготовление в 1971 г. микропроцессора на ИМС ознаменовало начало создания микроэлектронных цифровых вычислительных устройств, которые заняли ведущее место в технике контроля, связи и управления. Развитие микроэлектроники, как цифровой, так и аналоговой, привело к существенному увеличению выпуска и использования бытовых и офисных электрических и электронных приборов (кондиционеров, нагревательных устройств, беспроводных и сотовых телефонов, компьютеров, средств дистанционного контроля и управления).

Высокая концентрация промышленных и бытовых электротехнических приборов и электронных устройств сопровождается созданием электромагнитных полей разной интенсивности в широком диапазоне частот. Это создает проблему электромагнитной совместимости функционирования различных электронных средств в условиях мощных электромагнитных полей, а также их влияния на живые организмы.