Создание первого электродвигателя

Создание первого электродвигателя

1. Введение.

XX век - это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля , руды , нефти .Мощные электростанции вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии .Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду , радиоприемники , телевизоры , велосипеды , автомобили , часы и другую необходимую продукцию . Телеграф , телефон и радио соединяет нас со всем миром . Поезда , теплоходы , самолеты с большой скоростью переносят нас через материки и океаны .А высоко над нами
, за пределами земной атмосферы , летают ракеты и искусственные Спутники
Земли. Все это действует не без помощи электричества.

Человек начал свое развитие с присвоения готовых продуктов природы . Уже на первом этапе развития он стал применять искусственные орудия труда.

С развитием производства начинают складываться условия для возникновения и развития машин. Сначала машины , как и орудия труда лишь помогали человеку в его труде .Затем они стали постепенно заменять его .

В феодальный период истории впервые в качестве источника энергии была использована сила водяного потока. Движение воды вращало водяное колесо , которое в свою очередь приводило в действие различные механизмы .В этот период появилось множество разнообразных технологических машин. Однако широкое распространение этих машин часто тормозилось из-за отсутствия рядом водяного потока .Нужно было искать новые источники энергии , чтобы приводить в действие машины в любой точке земной поверхности . Пробовали энергию ветра , но это оказалось малоэффективным .

Стали искать другой источник энергии . Долго трудились изобретатели
, много машин испытали - и вот , наконец , новый двигатель был построен .
Это был паровой двигатель. Он приводил в движение многочисленные машины и станки на фабриках и заводах .В начале XIX века были изобретены первые сухопутные паровые транспортные средства -паровозы .

Но паровые машины были сложными , громоздкими и дорогими установками .
Бурно развивающемуся механическому транспорту нужен был другой двигатель - небольшой и дешевый . В 1860 г. француз Ленуар , использовав конструктивные элементы паровой машины , газовое топливо и электрическую искру для зажигания, сконструировал первый нашедший практическое применение двигатель внутреннего сгорания .

Все эти двигатели требовали топлива , и ученые в то же время работали над изобретением двигателя , работающего на электричестве - электродвигателя - бесшумного и небольшого . Первый электродвигатель сконструировал русский ученый Б.С. Якоби .

В настоящее время жизнь человечества без электродвигателя трудно представляется . Он используется в поездах , троллейбусах ,трамваях .На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки .Электромясорубки , кухонные комбайны , кофемолки ,пылесосы - все это используется в быту и оснащено электродвигателями.

На мой взгляд изобретение электродвигателя - есть одно из важнейших достижений естествознания XIX столетия . К тому же , эта заслуга принадлежит русскому ученому .Важность этого открытия очевидна : электроэнергия стала в наше время доступной и дешевой . Благодаря сети электропроводов , ее можно подвести фактически в любую точку земного шара.

Если в конце прошлого века самая распространенная сейчас электроэнергия
-электрическая - играла ,в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль , то уже в 1930 г. в мире было произведено около 300 млрд. киловатт-часов электроэнергии .Вполне реален прогноз , по которому в
2000 г. будет произведено 30 тыс. млрд. киловатт-часов.

Процессу открытия электродвигателя я и посвящаю мою работу.

2. Предыстория электродвигателя.

Сложный и трудный путь прошла наука о гальваническом электричестве, прежде чем был создан первый практически пригодный электродвигатель. В нем как в фокусе зеркала сконцентрировались все важнейшие открытия и изобретения многих ученых разных стран 20-х и 30-х гг. XIX в. Все началось с создания первого источника постоянного электрического тока - вольтова столба, с изучения химических, тепловых и магнитных действий тока и с установления законов электрической цепи. Важное значение для всей электротехники, для предыстории электродвигателя имело изучение магнитных действий тока. Впервые факт действия электрического тока на магнитную стрелку твердо был установлен Г. X. Эрстедом.

Интеpеcнa история этого открытия . Идею о cвязи между электрическими и магнитными явлениями Эpcтед высказал еще в первом десятилетии X1X в. Oн полагал, что в явлениях природы, несмотря на все их многообразие , имеются сходство, что все они связаны между собой. Pyкoвoдcтвyяcь этой идеей, он поставил перед собой задачу выяснить на опыте, в чем эта связь проявляется.

Эрстед открыл , что если над проводником , направленным вдоль земного меридиана , поместить магнитную стрелку , которая показывает на север , и по проводнику пропустить электрический ток , то стрелка отклоняется на некоторый угол .

После того , как Эрстед опубликовал свои открытия , многие физики занялись исследованием этого явления .Французские ученые Био и Савар постарались установить закон действия тока на магнитную стрелку , т.е. определить , как и от чего зависит сила , действующая на магнитную стрелку
, когда она помещена около электрического тока .Они установили , что сила действующая на магнитный полюс ( на конец длинного магнита) со стороны прямолинейного проводника с током направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию от полюса до проводника , и модуль ее обратно пропорционален этому расстоянию.

Познакомившись с работой Био и Савара можно было заметить , что для расчета «магнитной» силы , т.е. , говоря современным языком , напряженности магнитного поля , полезно рассматривать действие очень малых отрезков с током на магнитный полюс. Из измерений Био и Савара следовало, что если ввести понятие элемента проводника (l , то сила (F , действующая со стороны этого элемента на полюс магнита , будет пропорциональна (F ~
((l/r2)*Sin (, где ( l - элемент проводника , ( - угол , образованным этим элементом и прямой , проведенной из элемента (l в точку , в которой определяется сила , а r - кратчайшее расстояние от магнитного полюса до линии , являющееся продолжением элемента проводника .

После того , как было введено понятие силы тока и напряженности магнитного поля , этот закон стали записывать так :

?H = k*(I ?l/r2)*sin(, где ?H - напряженность магнитного поля , I – сила тока , а k – коэффициент , зависящий от выбора единиц , в которых измеряются эти величины .В международной системе единиц СИ этот коэффициент равен 1/4(.

[pic]
Рис. А. Oпыт Aмпepa по взаимодействию токов,

Hoвый важнейший шаг в исследовании электромагнетизма был сделан французским ученым Ампером (1775— 1836) в 1820 г,
Paздyмывaя над открытием Эpcтeдa, Aмпep пришел к coвepшенно новым идеям, Oн предположил, что магнитные явления вызывaютcя взаимодействием электрических токов. Kaждый магнит представляет собой систему замкнутых электpичеcкиx токов, плоскости кoтopыx перпендикулярны ocи магнита, Bзaимoдeйcтвиe магнитов ,их притяжение и oттaлкивaние объясняются пpитяжeниeм и отталкиванием, cyщecтвyющими между токами. Зeмнoй магнетизм также обусловлен электрическими токами, которые протекают в земном шape. Этa гепoтизa требовала, конечно, опытного пoдтвеpждeния. И Aмпep проделал целyю cepию oпытoв для ее oбocнoвaния.

Пepвыe oпыты Aмпepa заключались в обнаружении сил, действующих между проводниками, по которым течет электрический ток. Опыты показали, что два прямолинейных проводника с током, расположенные параллельно друг другу, притягиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и отталкиваются, если направление токов противоположно (рис. А).
Ампep пoкaзaл тaкже, чтo витoк c тoкoм и cпиpaлевидный пpoвoдник c тoкoм
(coленoид) ведyт ceбя кaк мaгниты. Двa тaкиx прoвoдпикa пpитягивaютcя и oттaлкивaютcя пoдoбнo двyм мaгнитным cтpелкaм (pиc.Б ).

[pic]
Рис Б. Рамка с током (слева) и соленоид с током (справа)
В опытах Ампера

Свои первые сообщения о результатах опытов Ампер сделал на заседаниях
Пapижcкoй академии наук осенью 1820 г. Пocлe этого он занялся разработкой теории взaимoдейcтвия проводников, по которым течет электрический ток.

Ампер решил в основу теории взаимодействия токов положить закон взaимoдейcтвия между элементaми токов. Нужно отметить, что Ампер говорил уже не просто о взаимодействии элементов проводников, как Био и Савар, а о взаимодействии элементов токов, так как к тому времени уже возникло понятие силы тока. И это понятие ввел сам Aмпep. следуя взглядам того времени о подобии элементарных сил силам тяготения,
Ампер пpeдпoлoжил, что сила взаимодействия между элементами двух токов будет зависеть от расстояния между ними и должна быть направлена по прямой, соединяющей эти два элемента. проведя большое число опытов по определению взаимодействия токов в проводниках различной формы и пo-paзнoмy расположенных друг относительно друга, Aмпep в конце концов определил искомую силу. подобно силе тяготения она оказалась обратно пропорциональной квадрату расстояния между элeментaми электрических токов. В отличие от силы тяготения ее значение зависело еще и от относительной ориентации элементов токов. формулу, которую получил Ампер, мы приводить не будем. она оказалась неверной, потому что он заранее предположил, что сила взauмoдейcтвия между элементами токов должна быть направлена по прямой, соединяющей эти элементы. Ha самом же деле эта сила направлена под углом к этой прямой. однако вследствие того что Aмпep проводил опыты с замкнутыми постоянными токами, он получал при расчетах по своей формуле правильные результаты.
Оказывается, что для замкнутых проводников формула Ампера приводит к тем же результатам, что и исправленная впоследствии формула, выражающая силу взаимодействия между элементами токов, которая по-npежнeмy носит название закона Ампера.

Огромную роль в науке об электричестве сыграл созданный У. Стердженом в
1825 г. первый электромагнит. Его устройство было простым. Он представлял собой стержень из мягкого железа, покрытого для изоляции лаком, на который была намотана проволока. По сравнению с распространенными тогда постоянными магнитами этот электромагнит обладал значительными преимуществами, так как давал более сильный эффект.

Новый этап в развитии электротехники неразрывно был связан с именем М.
Фарадея. Электрический ток вызывал магнитные действия, и вполне естественно было предположить, что и магнитные явления могут вызвать появление электрического тока. В 1831 г. в результате многолетних опытов М. Фарадею удалось осуществить «превращение магнетизма в электричество». Так было сделано одно из великих открытий XIX в. открытие электромагнитной индукции, оказавшее огромное воздействие на все последующее развитие электротехники.
Опытами Фарадея было установлено, что электромагнитная индукция возникает как в неподвижном проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном поле, так и в проводнике, который перемещается в неизменном магнитном поле. Введя понятие о магнитных силовых линиях, образующих магнитное поле, ученый доказал, что наведение тока в проводнике будет происходить только тогда, когда изменяется магнитный поток через контур. Открытие электромагнитной индукции дало возможность Фарадею понять и причину вращения магнитной стрелки при вращении диска, т. е. причину явления, открытого Араго. Он объяснил это взаимодействием наводимых в диске токов с магнитным полем. На основе изучения опыта Араго зародилась идея создания нового источника электрической энергии, которая практически была реализована только во 2-й половине XIX в.
В 1834 г. электротехника обогатилась новым фундаментальным законом, открытым Э. X. Ленцем. Обобщая опыты Фарадея по электромагнитной индукции, он в результате своих исследований сформулировал закон, дававший возможность точно определить направление индуцированного тока. Так впервые в науке был сформулирован фундаментальный принцип обратимости. Ленц не только теоретически, но и экспериментально доказал, что, если вращать катушку между полюсами магнита, она будет генерировать электрический ток, и наоборот, если в нее послать ток, она будет вращаться. Это обстоятельство значительно позднее сыграло решающую роль в развитии всего электромашиностроения.

В 30-50-х гг. XIX в. одновременно с разработкой теоретических предпосылок, необходимых для создания первых электродвигателей и первых генераторов электрического тока, в ряде стран ученые и изобретатели настойчиво пытались практически реализовать эти предпосылки. Началось с создания физических приборов, с помощью которых можно было только опытным путем демонстрировать преобразование электрической энергии в механическую.
Первый такой прибор был построен Фарадеем в 1821 г. С его помощью ученый установил, что электрический ток, проходящий по проводнику, может заставить этот проводник совершать вращение вокруг магнита или, наоборот, вызывать вращение магнита вокруг проводника. Важнейшее значение этого опыта заключалось в том, что он наглядно показал принципиальную возможность построения электродвигателя.
В 1824 г. П. Барлоу также наглядно с помощью другого прибора продемонстрировал возможность превращения электрической энергии в механическую. Он расположил горизонтально два П-образных постоянных магнита и под ними поместил два медных зубчатых колесика, сидящих на одной оси.
Когда через колесики пропускался ток, они начинали вращаться в одном и том же направлении. Ученый при этом заметил, что перемена полярности контактов или перемена полюсов магнитов изменяла направление вращения колесиков. Этот прибор вошел в науку под названием «колеса Барлоу». В настоящее время он используется только в качестве демонстрационного прибора. Практического значения колесо Барлоу не имело. Однако в 20-х гг. XIX в. прибор сыграл свою роль, направив поиски экспериментаторов на создание практически пригодного электродвигателя.

Интересная модель электродвигателя в 1831 г. была предложена Д. Генри в статье «О качательном движении, производимом магнитным притяжением и отталкиванием». Конструктивно форма, предложенная Генри, интересна тем, что в ней впервые была сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получения качательного движения. В модели, построенной ученым, электромагнит совершал 75 качаний в минуту, а мощность двигателя была равна 0,044 Вт. Поэтому о его практическом применении не могло быть и речи.

В том же 1831 г. электродвигатель с качательным движением якоря между полюсами магнита .был предложен С. Даль-Негро.

В моделях электродвигателей Генри и Даль-Негро был использован принцип возвратно-поступательного движения. На этом же принципе работал паровой двигатель. Об исключительной живучести этой идеи говорят и такие факты: первые изобретатели парохода предлагали использовать паровой двигатель для приведения в движение весел с тем, чтобы заменить гребцов, а первые изобретатели паровоза хотели создать передвигающийся механизм, подражающий движению ног лошади.

3. Создание первого электродвигателя

Идея Генри и Даль-Негро вначале довлела и над Борисом Семеновичем
Якоби(1801-1874) , петербургским академиком . «В мае 1834 г. пишет ученый,- я построил свой первый магнитный аппарат, дающий постоянное круговое движение... Но я не мог сначала отказаться от идеи получить возвратно- поступательное движение, производимое последовательным притягивающим и отталкивающим действием магнитных стержней, а затем уже превратить это возвратно-поступательное движение в постоянное круговое известным в технике способом».

Но было бы неверным считать, что идея создания электродвигателя с вращательным движением впервые была выдвинута Якоби. Ее высказал в 1833 г. английский ученый В. Риччи в своей статье «Опытные исследования по электромагнетизму и магнитоэлектричеству». Для изучения и иллюстрации свойств магнита Риччи создал прибор, в котором ему с помощью магнита удалось получить вращательное движение железной полосы, обвитой проволокой, по которой протекал ток. «Самый поразительный результат,- писал он который мною был получен при перемене полюсов электромагнита, заключается в сообщении магниту вращательного движения вокруг его центра».

Неизвестно, знал Якоби о модели электродвигателей Риччи или нет, но вполне вероятно, что он независимо пришел к выводу о необходимости создания двигателя с вращательным движением. Он правильно оценил все преимущества такого двигателя. В отличие от своих предшественников Якоби сразу же решил создать не очередную физическую игрушку, а такой двигатель, который был бы пригоден для практики, «для нужд промышленности и жизни». «Я уже не говорю о крайней простоте магнитной Машины писал ученый с круговым беспрерывным движением, о конструктивных ее преимуществах и легкости превращения кругового движения во всякое другое, какого требует данная рабочая машина.
Я с самого начала был проникнут этими мыслями, еще когда я не представлял себе, каким образом мне удастся осуществить свою машину; я тогда имел в виду практическое ее применение, и задача представлялась мне настолько важной, что я не хотел тратить силы на выдумывание игрушек с возвратно- поступательным движением, которые удостоились бы чести быть поставленными в один ряд с электрическим звонком в отношении их эффекта».
Историческая заслуга Якоби заключается в том, что он руководствовался не отвлеченными научными рассуждениями, а как инженер исходил из практических запросов производства, которые и побудили его серьезно и вдумчиво заняться созданием необходимого для промышленности и транспорта двигателя. О своем изобретении Якоби впервые сообщил в конце 1834 г. в «Заметке о магнитной машине, в которой магнетизм используется как двигательная сила». Она была напечатана в трудах Парижской Академии наук.

Подробное описание своего электромагнитного двигателя Якоби дает в двух частях. Первую из них он печатает в 1835 г. в Потсдаме - городе, где родился, под названием «Мемуары о применении электромагнитной силы к движению машин», а вторую - в качестве продолжения первой под тем же названием в 1837 г. в трудах Петербургской Академии наук. Интерес к изобретению Якоби был всеобщим. У него сразу же нашлись и подражатели. В
Петербурге о его двигателе стало известно уже в 1834 г. из статьи, напечатанной в № 10 «Журнала мануфактур и торговли» и в газете, издаваемой в столице на немецком языке «St-Petersburg Zeitung».

Что же представлял собой первый образец электродвигателя Якоби? Ученый кратко описал его так: «Аппарат состоит из двух групп по 8 стержней мягкого железа, длиной по 7 дюймов (177,8 мм.) и толщиной 1 дюйм (25,4 мм..). Обе группы стержней располагаются на двух дисках под прямым углом и симметрично одна по отношению к другой таким образом, чтобы полюсы приходились один против другого. Один из дисков неподвижен, а другой вращается вокруг некоторой оси, благодаря чему группа подвижных стержней проходит мимо неподвижных на возможно более близком расстоянии от них. Все 16 стержней обмотаны 320 футами (96 м..) медной проволоки толщиной в одну с четвертью линии (3,17 мм.); концы обмоток соединяются с полюсами гальванической батареи... Успешная работа этой машины обусловлена удачной конструкцией... коммутатора, осуществляющего перемену полюсов восемь раз за один оборот».
Двигатель мог поднимать груз массой примерно 4- б кг на высоту около 30 см в секунду, что составляло мощность около 15 Вт. Он давал 80-120 оборотов в минуту. Окружная скорость подвижного диска была равна 1,8 м/с. Величина зазора между полюсами магнита равнялась 12,7 мм. Подвижной диск с электромагнитами имел массу 20 кг. В качестве изоляции сердечника электромагнитов использовалась шелковая материя. Для питания электромагнитов применялась гальваническая батарея (рис.1)

[pic] рис. 1.

Такими были главные конструктивные элементы и параметры электродвигателя
Якоби, построенного им в 1834 г. Но не они характеризовали принципиально новые физические принципы, положенные ученым в основу своего выдающегося изобретения. Главное, чего удалось добиться Якоби в результате его напряженных творческих поисков, заключалось в том, что он обеспечил в своем двигателе вращательное движение подвижного диска, которое основывалось на взаимодействии полюсов электромагнитов подвижного диска и электромагнитов неподвижной рамы. Это новшество ученый считал одним из главных достоинств своего двигателя. Он с гордостью отмечал, что в его двигателе для движения диска применялись «новые силы», не использованные еще в практике. «Машина,
-писал он, -дает непосредственное круговое движение, которое гораздо легче преобразовать в другие виды движения». Как это было им осуществлено практически, можно без труда понять из рассмотрения следующих двух основных схем.

Двигатель Якоби состоял из двух групп П-образных электромагнитов. Восемь из них, установленных на неподвижной раме, были соединены последовательно и питались током непосредственно от батареи гальванических элементов, причем направление тока в этих; электромагнитах оставалось постоянным. Восемь электромагнитов, установленных на подвижном диске, были подключены к батарее через коммутатор, с помощью которого направление тока в каждом из них изменялось 8 раз за один оборот диска. N1, S1, и N2 полюсы электромагнитов подвижного диска, N’1, S’1 и N'2 -полюсы электромагнитов неподвижной рамы (рис 2.) .Обмотка электромагнитов, чтобы не усложнять схем, не показана.
[pic] рис.2

Перед запуском двигателя одноименные полюсы устанавливаются друг против друга . После начального толчка при включении батареи электромагнит N 1 будет отталкиваться от одноименного полюса N’1 и притягиваться полюсом S‘1
В результате такого взаимодействия полюс электромагнита N1 станет против полюса электромагнита S’1 и по инерции пройдет несколько дальше. В этот момент коммутатор (действие его будет рассмотрено позднее) произведет переключение полюсов батареи, и по обмотке электромагнитов подвижного диска будет проходить ток обратного направления. Вследствие этого полярность полюсов электромагнитов подвижного диска изменится и полюс N1, ставший теперь полюсом, одноименным с полюсом S’1 , будет от него отталкиваться.
Аналогичный процесс будет происходить и при взаимодействии остальных полюсов электромагнитов, расположенных на подвижном диске и на неподвижной раме. Такое периодическое изменение полюсов электромагнитов в подвижном диске 8 раз за один оборот при наличии инерции будет поддерживать непрерывное вращение как подвижного диска, так и вмонтированного в его центр рабочего вала электродвигателя.

Талантливый инженер так остроумно решил вопрос о вращательном движении рабочего вала. Якоби первым в науке об электричестве обосновал все важнейшие преимущества такого движения для всех электродвигателей и убедительно показал нецелесообразность использования в них возвратно- поступательного движения. История полностью подтвердила исключительную плодотворность этой идеи. Все электрические машины со времени Якоби стали строиться с вращательным движением якоря двигателя.

[pic] рис. 3

Новой, чрезвычайно важной, технически целесообразной глубоко продуманной частью электродвигателя Якоби был коммутатор, созданный им специально для того, чтобы периодически изменять полярность подвижных электромагнитов.
Технически эта идея была осуществлена так. Коммутатор, схема которого показана на рисунке 3, состоял из четырех медных колец 1-4, насажанных на рабочий вал электродвигателя. Кольца попарно соединялись медными трубками ff. на оси вала, закреплялись трубкой g из изолирующего материала и вращались вместе с валом. Каждое из колец, смещенных на 45° по отношению к предыдущему, имело 4 выреза, которые заполнялись вкладками из изолятора h. Поверхность колец была хорошо отполированной и ровной. По этой поверхности при вращении колец скользил контактный рычаг г, представлявший собой своеобразную щетку. Другой конец рычага опускался в чашечку со ртутью k, которая соединялась проводником с батареей. Металлические кольца были соединены с электромагнитами вращающегося диска. При его вращении металлические рычаги, попадая на непроводящие части колец, прерывали цепь, а при соприкосновении с металлом замыкали ее. Когда рычаг переходил с непроводящей части на металл, т. е. в тот момент, когда встречались разноименные полюсы, в обмотках электромагнитов, установленных на подвижном диске и последовательно соединенных, менялось направление тока.

Страницы: 1, 2