История электротехники - Коллектив авторов

3.2. Белькинд Л.Д. Александр Николаевич Лодыгин. М: Госэнергоиздат, 1948.

3.3. Белькинд Л.Д. Томас Альва Эдисон. М.: Наука, 1964.

3.4. Ржонсницкий Б.Н. Федор Аполлонович Пироцкий. М. — Л. Госэнергоиздат, 1951.

3.5. Ржонсницкий Б.Н. Дмитрий Александрович Лачинов. М. — Л. Госэнергоиздат, 1949.

3.6. Цверава Г.К. Никола Тесла. М.: Наука, 1974.

3.7. Веселовский О.Н. Михаил Осипович Доливо-Добровольский. М.: Госэнергоиздат, 1958.

3.8. Доливо-Добровольский М.О. Избранные труды о трехфазном токе. М.: Госэнергоиздат, 1948.

3.9. Швецов М.С., Бородачев А.С. Развитие электротермической техники М.: Энергоатомиздат, 1983.

Глава 4.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

4.1. ВВЕДЕНИЕ

Теоретическая электротехника (ТЭ) как самостоятельное научное направление образовалась в результате синтеза физических представлений об электрических и магнитных полях, электрических цепях, математических методах для исследования и расчета электромагнитных явлений в технических устройствах. В этом качестве ТЭ является основой развития теории, методов расчета и синтеза широкого спектра электротехнических изделий. История развития ТЭ неотделима от развития электротехники и физики, поскольку открытие новых физических явлений и законов практически одновременно приводило к появлению новых электротехнических устройств. Характерно, что практически одновременно имели место открытие в 1831 г. закона электромагнитной индукции, т.е. возникновения электродвижущей силы в результате изменения потока вектора магнитной индукции М. Фарадеем, демонстрация в 1832 г. электрического генератора постоянного тока, созданного братьями Пиксии в Париже, и изобретение электродвигателя в 1834 г. Б.С. Якоби. Однако для создания серьезной теоретической, расчетной и проектной базы, а также глубокого изучения электромагнитных процессов в таких машинах и целенаправленного развития их конструкций потребовались многие десятилетия. Для ТЭ характерен учет влияния множества факторов и в этой связи усложнение картины протекания физических процессов, поскольку только при этих условиях стало возможным решить проблему создания и повышения эффективности новых электротехнических устройств. Именно необходимость учета множества факторов потребовала разработки методов создания соответствующего математического описания, т.е. математических моделей этих устройств.

Начальный этап становления ТЭ определялся не только историей развития физических представлений об электрических и магнитных явлениях. С созданием гальванических элементов, формулированием законов Ома и Кирхгофа, а также с началом практического использования физических явлений, связанных с протеканием постоянного тока по проводникам, независимо от теории электромагнитного поля (ЭМП) появился новый раздел ТЭ, известный в настоящее время под названием «Теория электрических цепей». Вначале раздельное развитие этих двух направлений ТЭ было обусловлено тем, что расчет электрических цепей постоянного тока не требовал привлечения закона электромагнитной индукции и введения понятия токов смещения, т.е. использования всех законов ЭМП. Однако и в дальнейшем выявленные особенности описания процессов в электрических цепях и их математических моделей, даже при необходимости использовать уравнения ЭМП, позволили создавать специфические методы расчета и сохранять теорию электрических цепей в качестве самостоятельного раздела. В этом отношении показательна возможность вывода законов Кирхгофа без использования уравнений Максвелла, исходя только из топологических особенностей электрических цепей. По этой причине в ТЭ с самого начала ее становления относительно самостоятельно развивались исследования, связанные с явлениями, вызванными протеканием электрического тока по проводникам, образующим цепи (теория электрических цепей) и с эффектами взаимодействия электромагнитного поля с веществом (теория ЭМП). Таким образом, это разделение было вызвано не только историческими причинами и различиями в методах анализа и синтеза электрических цепей и электромагнитных полей, но и используемым при этом математическим аппаратом.

Поражающая воображение быстрота появления практических устройств на основе использования электромагнитных явлений способствовала ускоренному развитию производительных сил с конца XIX в. и существенным образом повлияла на становление ТЭ в качестве самостоятельной науки. Со времени открытия гальванических источников тока, электрической дуги и появления возможности практического использования этих открытий для освещения и электротермии прикладные аспекты использования ЭМП приобретают особое значение для развития производства. Именно это обстоятельство в первую очередь стимулировало развитие ТЭ в качестве самостоятельной отрасли науки.

4.2. СТАНОВЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ТЭ

Д.К. Максвелл в течение 1855–1873 гг., обобщив результаты экспериментальных исследований, известных в виде законов Ш. Кулона, А. Ампера, законов и идей М. Фарадея и Э.Х. Ленца сформировал на их основе систему уравнений ЭМП, описывающую поведение электромагнитного поля в общем случае. Впоследствии Г. Герц в 1884 и 1890 гг., О. Хевисайд в 1885 г., А. Эйнштейн в 1905 г., Г. Лоренц в 1909 г. и др. сформулировали варианты этой системы уравнений. С точки зрения теории математического моделирования система уравнений Максвелла является математической моделью электромагнитного поля для самого общего случая. Приспособление этой модели к конкретным свойствам исследуемого устройства и стало одной из основных задач ТЭ при создании общих методов разработки конкретных математических моделей, т.е. математического описания электромагнитных процессов в конкретном устройстве.

Становление ТЭ в области теории ЭМП протекало в период столкновения двух подходов толкования сути самих уравнений Д.К. Максвелла. В первом из них, характерном для ученых, придерживающихся позиций школы М. Фарадея и Д.К. Максвелла, математическое описание процессов производится на основе построения физической картины их протекания. Для подхода, характерного в основном для физиков немецкой школы, преимущественную роль играет сама математическая модель, которая является продуктом субъективного мыслительного процесса. Эти школы отражали принципиально различные подходы к толкованию результатов экспериментальных данных. В первом признается реальность существования электромагнитного поля в качестве особой формы материи и принципа близкодействия, т.е. взаимодействия, материальных тел через процесс, протекающий в разделяющем их пространстве. Для сторонников второго подхода, приверженцев принципа дальнодействия, по мнению которых взаимодействие тел происходит без участия какого-либо материального процесса в разделяющем эти тела пространстве, нет необходимости использовать ЭМП для объяснения процесса взаимодействия. Следует отметить, что при попытке понять картину физических процессов, представляющих ЭМП, физики столкнулись с дуальностью проявления света, а следовательно и ЭМП, когда явление фотоэффекта вынудило представить свет в качестве потока дискретных частиц-фотонов — квантов света, а дифракционные эффекты в виде волн. Этот двойственный характер поведения ЭМП и попытки создания адекватной математической модели послужили причиной появления новых физических концепций. Вследствие дуальности проявления ЭМП стало невозможным описать реальную картину поведения индивидуальных частиц и это заставило ввести в квантовую физику (на основе работ Н. Бора (1895–1962 гг.), Л. де-Бройля (1892–1987 гг.), Э. Шредингера (1887–1961 гг.), В. Гейзенберга (1901–1971 гг.), П. Дирака (1902–1984 гг.) и М. Борна (1882–1970 гг.)) понятий, определяющих только статистические, вероятностные особенности поведения множества частиц, в том числе фотонов и электронов.

Согласно этой теории реальное распределение частиц в пространственно-временном континууме (это слово использовано для выражения идеи о невозможности раздельного представления пространства и времени) можно описать только на основе понятий функции вероятности или «волны вероятности». При использовании данного подхода может быть определена только вероятность нахождения частицы в данной точке в данный момент времени. Разумеется, что столь глубокое проникновение в физическую картину построения вещества и поля выходит за рамки ТЭ, однако выяснение наличия различных ответов на вопрос, что такое ЭМП, и причин, порождающих эти расхождения, необходимо для понимания истории развития основных физических представлений о природе ЭМП, что важно не только для физиков, но и для электриков, специализирующихся в области ТЭ. Сторонники принципа близкодействия и в физике, и в ТЭ, ярким представителем которого являлся академик АН СССР В.Ф. Миткевич (1872–1951 гг.), вынуждены были предложить модели вхождения пространства в процесс взаимодействия первоначально при помощи введения понятия эфира, а в последующем и концепции электронно-позитронной теории вакуума. Согласно современным представлениям свободное от материальных частиц пространство — вакуум (некий непротиворечивый эквивалент эфира), состоит из совокупности взаимосвязанных электронно-позитронных пар. Поскольку принимается, что масса и электрона, и позитрона определяется только энергией, связанной с этими частицами ЭМП, которая при образовании пары освобождается, то вакуум представляет собой пространство с минимальным уровнем энергии. В таком вакууме может иметь место явление поляризации в полном соответствии с представлениями М. Фарадея и Д.К. Максвелла. Однако при этом возникает вопрос о причинах и механизмах взаимодействия вакуума с полем тяготения. Согласно представлениям о строении материи элементарные частицы вещества электрон и позитрон обладают всеми качествами материальных тел и отличаются наличием у них свойства взаимодействовать с ЭМП, мерой которого является электрический заряд. Заряд, в свою очередь, является следствием наличия кварков, этих нецелых по значению зарядов. Вследствие невозможности исчезновения зарядов следует, что вакуум состоит из кварков, которые должны обладать и другими свойствами, связанными с гравитационным полем. Таким образом, даже попытка представления основной физической особенности материи, связывающей ее с ЭМП, приводит к необходимости более глубокого проникновения в свойства материи. В этом заключается одна из важнейших особенностей ЭМП, познание которой послужило в прошлом важным стимулом развития физики.