Opori-osveshenia.ru

Опоры освещения
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

История создания электродвигателя

История создания электродвигателя

Первые эксперименты с электромагнитными устройствами

Электромеханика является относительно молодой, по историческим меркам, отраслью науки и техники.

1800, Вольта

Итальянский физик, химик и физиолог, Алессандро Вольта, первый в мире создал химический источник тока.

1820, Эрстед

Датский ученый, физик, Ханс Кристиан Эрстед, обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку.

1821, Фарадей

Вращающийся проводник Фарадея

Британский физик-экспериментатор и химик, Майкл Фарадей, опубликовал трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», где описал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. Эта конструкция впервые реализовала непрерывное преобразование электрической энергии в механическую. Принято считать ее первым электродвигателем в истории.

1822, Ампер

Французский физик, Андре Мари Ампер, открыл магнитный эффект соленоида (катушки с током), откуда следовала идея эквивалентности соленоида постоянному магниту. Среди прочего Ампер предложил использовать железный сердечник, помещенный внутрь соленоида, для усиления магнитного поля. В 1820 году им был открыт закон Ампера.

1822, Барлоу

Английский физик и математик, Питер Барлоу, изобрел колесо Барлоу, по сути, униполярный электродвигатель.

1825, Араго

Французский физик и астроном, Доминик Франсуа Жан Араго, опубликовал опыт показывающий, что вращающийся медный диск заставляет вращаться магнитную стрелку, подвешенную над ним.

1825, Стёрджен

Британский физик, электротехник и изобретатель, Уильям Стёрджен, в 1825 изготовил первый электромагнит, который представлял из себя согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки.

1827, Йедлик

Венгерский физик и электротехник, Аньош Иштван Йедлик, изобрел первую в мире динамо-машину (генератор постоянного тока), однако практически не объявлял о своем изобретении до конца 1850-х годов.

1831, Фарадей

Английский физик, Майкл Фарадей, открыл электромагнитную индукцию, то есть явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Формулировка закона электромагнитной индукции.

1831, Генри

Американский физик, Джозеф Генри, независимо от Фарадея обнаружил взаимоиндукцию, но Фарадей раньше опубликовал свои результаты.

1832, Пикси

Генератор постоянного тока Пикси

Француз, Ипполит Пикси, сконструировал первый генератор переменного тока. Устройство состояло из двух катушек индуктивности с железным сердечником напротив которых располагался вращающийся магнит подковообразной формы, который приводился в движение вращением рычага. Позже для получения постоянного пульсирующего тока к этому устройству был добавлен коммутатор.

Электродвигатель Стёрджена

1833, Стёрджен

Британский физик, Уильям Стёрджен, публично продемонстрировал электродвигатель на постоянном токе в Марте 1833 года в Аделаидской галерее практической науки в Лондоне. Данное изобретение считается первым электродвигателем, который можно было использовать.

1833, Ленц

В начале в электромеханике разграничивали магнито-электрические машины (электрические генераторы) и электро-магнитные машины (электрические двигатели). Российский физик (немецкого происхождения), Эмилий Христианович Ленц, опубликовал статью о законе взаимности магнито-электрических явлений, то есть о взаимозаменяемости электрического двигателя и генератора.

Первые реальные электрические двигатели

Май 1834, Якоби

Электродвигатель Якоби

Немецкий и русский физик, академик Императорской Санкт-Петербургской Академии Наук, Борис Семенович (Мориц Герман фон) Якоби, изобрел первый в мире электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала. Мощность двигателя составляла около 15 Вт, частота вращения ротора 80-120 оборотов в минуту. До этого изобретения существовали только устройства с возвратно-поступательным или качательным движением якоря.

Источники тока. Электрическая цепь

В 1786 г. итальянский анатом и физиолог Луиджи Гальвани решил изучить действие атмосферного электричества на мышцы лягушки. Для этого он прикрепил к нерву лапки свежепрепарированной лягушки медный крючок, после чего подвесил лапку к железной решетке, окружавшей висячий садик его дома. Однако никакого действия атмосферы не последовало. И лишь тогда, когда под порывами ветра лапка случайно коснулась решетки забора, ее мускулы резко содрогнулись. Гальвани решил повторить опыты дома. Положив лапку на железную дощечку, он снова обнаружил конвульсивные сокращения мышц. После четырех лет всестороннего исследования открытого им явления Гальвани сообщил о своих наблюдениях в книге, которая называлась «Трактат о силах электричества при мышечном движении».

Читайте так же:
Двд привод не открывается лоток

Появление этой книги вызвало огромный интерес в среде ученых. Опыты с лягушачьей лапкой стали повторять и физики, и химики, и философы, и врачи. Но лишь одному из них — итальянскому ученому Алессандро Вольта удалось понять истинную причину наблюдаемого эффекта.
Алессандро Вольта

Лапка сокращается не потому, что в лягушке сосредоточено какое-то особое «животное» электричество (как считал Гальвани), а потому, что через нее проходит электрический ток, возникающий благодаря контакту двух проводников из разных металлов, — к такому выводу пришел Вольта после тщательных исследований этого явления. По мнению Вольта, лягушка в этих опытах нужна лишь как «электрометр, в десятки раз более чувствительный, чем даже самый чувствительный электрометр с золотыми листочками». Поэтому тот же ток можно получить и без использования лягушки, если только позаботиться о том, чтобы разнородные металлы соприкасались с жидкостью, способной проводить электричество. И Вольта подтверждает свой вывод опытом на самом себе: соединив одни концы серебряной и оловянной проволочек между собой, он прикасается их противоположными концами к своему языку. Появившийся при этом кисло-горький вкус означал, что по языку пошел ток. Если бы источником электричества была сама мышца языка, то вкус должен был бы ощущаться и тогда, когда металлы одинаковые; этого, однако, не происходило.

Вольта продолжает опыты. Он берет две монеты из разного вещества и одну из них кладет себе на язык, а другую — под него. Соединив монеты проволочкой, он снова ощущает специфический вкус.

Наконец, в 1800 г. Вольта берет несколько десятков пар круглых пластин (из цинка и серебра) и, проложив между ними кружочки картона, смоченные соленой водой, располагает их в виде столба. Подсоединив к верхней и нижней пластинам столба провода, Вольта получает первый источник постоянного тока (вольтов столб).
На демонстрации вольтова столба перед французскими учеными присутствовал Наполеон Бонапарт. Опыты Вольта произвели на присутствующих очень сильное впечатление. Поэтому неудивительно, что за свои исследования Вольта получил титул графа и стал рыцарем Почетного легиона.

В последующие годы источники тока непрерывно совершенствовались и в конце концов приобрели тот вид, к которому мы все привыкли (рис. 22).
Источники тока

Конструкции современных источников разнообразны. Те из них, которые работают за счет химических реакций, называют химическими источниками тока. К ним относятся гальванические элементы (или просто элементы) и аккумуляторы.

Гальванические элементы (названные так в честь Л. Гальвани) являются источниками тока, как правило, разового пользования. Аккумуляторы же можно использовать многократно, периодически заряжая их.

У любого из этих источников имеются два полюса — положительный (+) и отрицательный (–). Разные заряды этих полюсов обусловлены химическими реакциями, протекающими внутри источника на проводниках (электродах), погруженных в специальный раствор.

Если с помощью проводов к источнику тока подключить какие-либо устройства, потребляющие электроэнергию, то под действием электрического поля, создаваемого источником, через них пойдет ток.

Соединенные друг с другом источник тока, провода и потребители электроэнергии (лампы, электроплитки, электро- и радиоаппаратура) образуют электрическую цепь.

Читайте так же:
Дисковая пила для производства со станиной

Для того чтобы в цепи мог идти постоянный ток (т. е. ток, не изменяющийся с течением времени), электрическая цепь должна быть замкнутой. Если же где-то появится обрыв, то ток в цепи прекратится. На этом основано действие кнопок, рубильников, ключей и других устройств, позволяющих включать и выключать в цепи ток. Некоторые из этих выключателей, применяемые в школьных опытах, показаны на рисунке 23. На рисунке 24 изображен клавишный выключатель, используемый в помещениях для замыкания и размыкания скрытой электропроводки.
Выключатели электрической цепи

Для подключения электрооборудования или бытовой техники к сети используют специальные соединители, например штепсельные розетку (рис. 25, а) и вилку (рис. 25, б).
Соединители к электрической цепи

При замыкании цепи электрическое поле источника со скоростью 300000 км/с распространяется вдоль проводников, и свободные заряженные частицы в них практически одновременно приходят в упорядоченное движение — в цепи появляется ток.

За направление тока в цепи принимают то направление, в котором должны были бы двигаться по цепи положительные заряды, т. е. направление от положительного полюса источника тока к отрицательному. Такое соглашение было принято в первой половине XIX в. и с тех пор учитывается во всех правилах и законах теории электрического тока.

В металлических проводниках ток создается отрицательно заряженными частицами (электронами), которые движутся по цепи от отрицательного полюса источника к положительному. Направление тока и направление движения носителей тока в этом случае противоположны.

В растворах кислот, солей и щелочей (электролитах) носителями тока являются положительные и отрицательные ионы. Первые из них движутся в направлении от «+» источника к его «–», вторые — от «–» к «+».

Чертежи, на которых изображают электрические цепи, называют схемами. Каждый элемент цепи на схемах обозначают специальным условным знаком. Некоторые из этих условных обозначений приведены в таблице 2 и на форзаце.
Элементы электрической цепи
Примеры электрических схем представлены на рисунке 26. На каждой из этих схем две лампы. Однако способ их включения различен. Соединение ламп, изображенное на рисунке 26, а, называют последовательным, а соединение ламп, изображенное на рисунке 26, б, — параллельным.
Электрические схемы

. 1. Кто и когда изобрел первый источник тока? 2. Какие химические источники тока вы знаете? 3. Из чего состоит электрическая цепь? 4. Какой должна быть цепь, чтобы в ней мог существовать постоянный электрический ток? 5. Какое направление в цепи выбирают за направление тока? Совпадает ли оно с направлением движения свободных электронов? 6. Зачем в электрической цепи нужен источник тока?

Экспериментальное задание. Возьмите лимон, яблоко или соленый огурец и воткните в него два проводника. Одним из них может быть медный провод, а другим — железный гвоздь. Принесите изготовленный таким образом источник тока в школу и, подсоединив его проводами к гальванометру, убедитесь, что источник работает. (Гальванометром называют прибор для регистрации и измерения слабых токов. Школьный демонстрационный гальванометр изображен на рисунке 27.)

Первые исследования электрического напряжения

Открытию знаменитого закона Ома предшествовали исследования Л. Гальвани и А.Вольта, проведенные в конце XVIII века.

Итальянец Л. Гальвани занимался разработкой теории «живого электричества». Опыты этого ученого сводились к тому, чтобы определить, как воздействует электрический разряд на мышцы живых организмов. Для своих опытов Гальвани использовал препарированных лягушек.

Наблюдения ученого позволили ему установить следующее: при воздействии электрического разряда на мускул лягушки происходило его сокращение (в том же случае, когда до этого мускула Гальвани дотрагивался тонким металлическим предметом).

Читайте так же:
Лентопильный станок по дереву

В ходе дальнейших экспериментов Гальвани соединил спинной нерв лягушки и металлический крючок, а затем поместил лягушку на поверхность, также изготовленную из металла. Однако металлы, которые использовал ученый, являлись не однородными: крючок был отлит из меди, а плоская поверхность изготовлена из железа. Как только медный крючок соприкасался с железной поверхностью, мышцы лягушки начинали непроизвольно сокращаться.

Свое открытие Гальвани назвал «животным электричеством», будучи твердо уверенным, что электрические заряды, которые взаимодействуют с металлическими предметами, образуются в живом организме. Сокращение мышц лягушки, как считал Гальвани, происходит в результате замыкания одного из нервов животного с помощью электропроводных материалов: медного крючка и плоского железного листа. При этом возникает замкнутая электрическая цепь, через которую и проходит электрический заряд, вызывая сокращение мышцы лягушки.

Выводы Гальвани привлекли внимание физика А. Вольта. Он проделал те же самые эксперименты с препарированной лягушкой, а затем решил пропустить через ее мускулы электричество какого-либо другого происхождения. В результате А. Вольта установил, что мускулы лягушки «ведут себя» точно так же, как и при прохождении через них зарядов «животного электричества».
Таким образом, Вольта решительно отверг существование какого бы то ни было «живого электричества». Он пришел к выводу, что на самом деле сокращение мышц лягушки лишь показывает прохождение через них электрического тока. Но почему же все-таки мышцы реагируют на электрический разряд, и какой предмет в данной ситуации можно считать источником электрического тока? Ученый высказал гипотезу, что источником тока может служить соединение двух разнородных металлических проводников.

Вольта предложил свою теорию «металлического» (впоследствии оно было названо гальваническим) электричества. Согласно этой теории, гальванический электрический ток возникает в результате контакта двух разных металлов (например, железа и меди).

Проведя серию экспериментов с проводниками, изготовленными из металлов разного рода, Вольта сумел доказать, что при контакте двух неодинаковых по происхождению металлов один из них становится положительно заряженным, а второй — отрицательно заряженным. Это открытие итальянского физика и получило название контактная разность потенциалов. Сам Вольта описывал это понятие, как разность напряжений металлов.

Однако в опытах с лягушками наблюдалось взаимодействие не только двух металлов, но и других веществ, например, металла и жидкости. Этот факт также привлек внимание Вольта, и он пришел к выводу, что все проводники необходимо разделить на два типа. К одному типу следует отнести металлы и другие твердые вещества, а к другому — жидкие вещества. К тому же, Вольта установил, что разность потенциалов можно наблюдать только при контакте проводников, принадлежащих к первому типу. Проанализировав опыты, в которых на мускулатуру лягушки воздействовали электрическим разрядом, Вольта решил, что контакт двух разнородных металлов неизбежно приводит к нарушению в них электрического баланса. Поскольку чередование нарушения и восстановления электрического баланса происходит постоянно, значит, поток электрических разрядов находится в непрестанном движении. Такой вывод привел ученого к мысли о том, что существует постоянный электрический ток и вполне возможно получить источник постоянного тока.
Таким образом, проведение экспериментов «с участием» препарированных лягушек способствовало открытию Вольтом постоянства движения электрических зарядов. Видимо, не напрасно пострадал этот знаменитый ученый от многочисленных насмешек своих коллег-физиков, окрестивших его «лягушачьим учителем танцев».

Читайте так же:
Лучшая двухкомфорочная варочная панель

Используя полученные выводы, в 1800 году Вольта изобретает прибор, прославивший этого ученого на весь мир — гальваническую батарею, так называемый Вольтов столб. Конструкция первой гальванической батареи включала в себя множество пластинок, отлитых из серебра и цинка. Между каждыми двумя пластинками располагались кусочки картона, предварительно смоченные солевым раствором. Это сооружение и представляло собой источник постоянного электрического тока.
Постоянный электрический ток — это такой ток, величина и направление которого не подвергаются изменениям с течением времени. Под направлением электрического тока подразумевается то направление, в котором положительные заряды перемещаются под воздействием разности потенциалов (разности напряжений). Конечно же, это все вовсе не значит, что в проводниках могут приходить в движение одни лишь положительные электрические заряды. В металлических проводниках, наоборот, перемещаются только отрицательно заряженные электроны, а в других типах проводников положительные и отрицательные заряды двигаются в противоположных направлениях. Поэтому под направлением электрического тока понимают то направление, которое противоположно движению электронов, то есть в сторону увеличения разности потенциалов.

Величина электрического тока выражается силой тока. Под силой тока в проводнике подразумевается то количество электричества, которое пропускается через сечение проводника в течение единицы времени.

Спустя некоторое время Вольта изобрел более эффективную и удобную в применении гальваническую батарею — чашечную. Открытие Вольта контактной разности потенциалов и гальванического электричества способствовало повышению интереса ученых-физиков к исследованию процессов, связанных с действием электрического тока, а также взаимодействием электрических и магнитных сил.

Kvant. Первый источник тока

Электрический ток даже в простейшей электрической цепи может показаться несколько загадочным явлением. В самом деле, ток — это упорядоченное движение электрических зарядов, например электронов в металлическом проводнике. Упорядоченно двигаться их заставляет электрическое поле. Но, как известно, работа электростатического поля по замкнутой траектории равна нулю (а электрические цепи, в которых протекает постоянный электрический ток, всегда замкнуты). Тем не менее в цепи при прохождении тока совершается работа. За счет этой работы, например, нагреваются проводники.

Почему же в цепи существует электрический ток и почему при его прохождении совершается работа?

И то и другое возможно только потому, что где-то в цепи действуют какие-то неэлектростатические силы, которые могут создать и поддерживать в цепи электростатическое поле и работа которых не равна нулю. Силы эти получили название сторонних сил. То место в цепи, где они действуют, носит название (не совсем удачное) источника тока.

Что это за сторонние силы и как они действуют? В качестве примера рассмотрим первый в истории химический источник постоянного тока. Его придумал в самом конце XVIII века итальянский физик Алессандро Вольта (1745-1827). Теперь этот источник называют элементом Вольта. Он состоит из цинкового и медного электродов, погруженных в раствор серной кислоты.

Заметим, что медь и цинк состоят не из нейтральных атомов, а из положительных ионов соответствующего металла и электронов, оторвавшихся от атомов и ставших, как говорят, свободными. Следует иметь в виду, что и раствор кислоты состоит не из нейтральных молекул воды (Н2О) и серной кислоты (Н2SO4). Значительная часть молекул Н2SO4 в воде превращается в три иона — два положительно заряженных иона водорода Н + и отрицательно заряженный ион SO4 2- с двойным зарядом:

H_2SO_4 to 2H^+ + SO_4^<2->) .

Посмотрим, что происходит, когда в такой раствор погружают электроды (см. рисунок). Начнем с цинка.

Читайте так же:
Чувствительный микрофон для прослушки на расстоянии

Img Kvant-1986-01-004.jpg

При погружении цинка в раствор кислоты начинается химическая реакция взаимодействия ионов SO4 2- и Zn 2+ , в результате чего ионы цинка отрываются от электрода и переходят в раствор. При этом на электроде оказывается избыток электронов, и он становится отрицательно заряженным. По мере накопления ионов Zn 2+ в растворе некоторая их часть, притягиваемая электродом, возвращается обратно. В конце концов устанавливается динамическое равновесие: число ионов, покидающих цинк, равно числу ионов, возвращающихся в него. Но электрод остается заряженным отрицательно, а раствор вблизи электрода (за счет ионов цинка) получает положительный заряд.

Появление дополнительных положительных ионов около цинкового электрода вызывает перераспределение уже имеющихся ионов внутри раствора. Часть отрицательных ионов из соседнего слоя перемещается ближе к электроду, а часть положительных ионов оттесняется в более удаленный слой. Подобные перемещения происходят во всех слоях раствора, вплоть до слоя, прилегающего к медному электроду. Здесь происходит следующий процесс.

В отличие от цинка медь почти не растворяется в кислоте, то есть не посылает в раствор своих ионов. Наоборот, положительные ионы водорода из раствора, попадая на медный электрод, отбирают у него свободные электроны и нейтрализуются. Медь становится положительно заряженной, а раствор около нее приобретает отрицательный заряд.

Таким образом, медный электрод в элементе Вольта образует положительный полюс, а цинковый электрод — отрицательный. Разность потенциалов между ними составляет приблизительно 1,1 В.

Посмотрим теперь, что произойдет, если электроды соединить металлическим проводником. Свободные электроны во внешней части цепи (в проводнике) начнут двигаться от цинка, где они имеются в избытке, к меди, где их недостает. Это означает, что во внешней части цепи возникнет электрический ток, направленный от меди к цинку.

А что же в самом элементе Вольта? Из-за ухода электронов с цинка равновесие между цинковым электродом и раствором нарушается, в результате чего дополнительное число ионов цинка будет переходить в раствор, поддерживая тем самым отрицательный заряд электрода. А из-за прихода электронов на медный электрод большее число положительных ионов водорода из раствора сможет нейтрализоваться на этом электроде. При этом положительный заряд меди тоже будет поддерживаться.

Мы видим, таким образом, что в то время, как во внешней части цепи от цинкового электрода к медному движутся свободные электроны, внутри источника движутся ионы: положительные от цинка к меди и отрицательные от меди к цинку. Так в замкнутой цепи осуществляется непрерывный круговой процесс перемещения электрических зарядов, то есть электрический ток.

Какие же силы совершают работу по поддержанию постоянной разности потенциалов между медным и цинковым электродами? Это так называемые химические силы, действующие внутри элемента Вольта. Другими словами можно сказать, что источником энергии электрического тока служит энергия, выделяющаяся при химических реакциях между электродами и раствором кислоты.

Отсюда получается, что «источник тока» в действительности есть источник энергии, за счет которой и совершается работа по перемещению зарядов по цепи, проявляющаяся, в частности, в нагреве проводников. Энергию, приходящуюся на единицу заряда, обходящего цепь, называют электродвижущей силой источника. В других источниках происходят другие процессы, действуют другие силы, но роль их всегда такая же как и в рассмотренном нами элементе Вольта.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector