История электротехники - Коллектив авторов

В развитии теории и методов ЭМП существенную роль играют введенные еще Д.К. Максвеллом электрический и магнитный потенциалы, позволяющие сократить количество полевых уравнений. В этой связи значительным продвижением в теоретическом отношении было введение в практику расчетов стационарных и квазистационарных магнитных полей метода, основанного на приведении вихревых магнитных полей к квазипотенциальным, в котором система уравнений сводится к одному скалярному уравнению. Этот подход, предложенный и разработанный для расчета и моделирования магнитных полей (К.С. Демирчян, В.М. Грешняков, В.Л. Чечурин, В.Н. Воронин) на кафедре ТОЭ Ленинградского политехнического института в 60-х и начале 70-х годов, впоследствии нашел широкое применение в практике расчетов трехмерных квазистационарных магнитных полей. Попытки создать высоковольтные электрические машины (К.Д. Биннс, П.Д. Лавренсон, А.В. Иванов-Смоленский, В.А. Кузнецов), конструкции высоковольтной техники (Н.Н. Миролюбов, М.В. Костенко, М.Л. Левинштейн, Н.Н. Тиходеев, Е.С. Колечицкий и др.), сверхпроводящие магнитных систем (К.С. Демирчян, Я.Б. Данилевич, Ю.В. Ракитский, В.Л. Чечурин и др.) потребовали повышенного внимания к расчетам статических электрических и магнитных полей. Повышение точности вычисления максимальных значений напряженности электрических полей и магнитной индукции стало необходимым условием разработки новых методов. Значительные работы были выполнены по расчету ЭМП и электродинамических сил в токонесущих конструкциях (О.В. Тозони, Э.А. Меерович, И.Ф. Кузнецов, В.Л. Чечурин, К.М. Чальян, Е.Л. Львов, Г.Н. Цицикян и др.), в электрических машинах и трансформаторах (Я.Б. Данилевич, Ф.Г. Рутберг, В.Л. Чечурин, Э.А. Кашарский, А.В. Иванов-Смоленский, В.Н. Боронин, В.А. Казанский, А.И. Инкин и др.), в устройствах с движущейся плазмой и дуговых электрических печах (М.Ф. Жуков, Ф.Г. Рутберг, Э.А. Меерович, В.И. Пищиков и др.), в электрофизических установках термоядерного синтеза (В.А. Глухих, В.М. Юринов, ГА. Шнеерсон, А.Б. Новгородцев и др.). Решения многих задач, связанных с расчетами нестационарных ЭМП в электрофизических установках, приведены в книге Г/А. Шнеерсона «Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов». Важным направлением стало решение комплексных задач электродинамики, где расчет токов и напряжений в электрической цепи требовал одновременного расчета и ЭМП. Такие задачи, носящие комплексный характер, были решены Л.Р. Нейманом (поверхностный эффект в ферромагнитных средах), В.М. Юриновым (электрические цепи, содержащие элементы с движущимися телами), ГА. Шнеерсоном (электрические цепи, содержащие элементы с движущимися средами) и др.

Помимо развития аналитических методов расчета ЭМП, возможности которых отставали от практических требований, в 50–60 годы широкое распространение получили аналоговые, сеточные и физические методы моделирования и исследования ЭМП. В этой области следует отметить работы А.И. Гантмахера, И.М. Тетельбаума, В.Д. Карплюса, К.С. Демирчяна, К.Х. Табакса, В.Н. Воронина, В.В. Попова и др.

В практике генерации, преобразования и передачи электрической энергии важное место заняли проблемы понижения потерь, возникающих за счет вихревых токов. Расчет и моделирование эквивалентных R- и L-параметров электрических цепей и измерение потерь от протекания вихревых токов связаны с именами Л.Р. Неймана, И.Ф. Кузнецова, Э.А. Мееровича, О.В. Тозони, Х.В. Двайта, П.Л. Калантарова, Л.А. Цейтлина и др. Развитие методов расчета ЭМП привело к широкому внедрению в практику электрических методов геологической разведки с применением импульсных генераторов тока, в частности на основе МГД-источников (Е.П. Велихов), индукционного нагрева (В.П. Вологдин), дуговой и электронной сварки (школа Е.О. и Б.Е. Патонов), дуговой плавки металлов (Э.А. Меерович), дефектоскопии (В.Г Герасимов).

На заре зарождения ТЭ исследования ЭМП производились без разделения методов по частотному критерию. Однако специфические задачи генерации, передачи и приема энергии высокочастотных ЭМП потребовали разработки собственных методов расчета. Так родилась новая область техники — радиотехника, в которой основное внимание уделялось не столько эффективности использования энергии ЭМП, сколько возможности передачи сигналов. Однако в последние годы в связи с развитием высокочастотной техники и возможности при ее помощи передавать на землю солнечную энергию, преобразованную в высокочастотное излучение на орбитальных или лунных электрических станциях, разделение электротехники и радиотехники становится весьма условным. В этой связи показательны исследования передачи энергии ЭМП при помощи волноводов (А.Н. Диденко). Фактически в таких системах передача состоит из одного проводника — волновода, внутри которого сосредоточена передаваемая энергия ЭМП.

Напомним, что для создания аналогичной ситуации с передачей энергии ЭМП постоянного тока или переменного тока промышленной частоты в простейшем случае кабельной линии электропередачи необходимы два провода (внутренний и внешний в виде полого цилиндра) для ограничения распределения ЭМП только в пространстве между ними. В волноводных ЛЭП со всей остротой встает привычная для ТЭ проблема повышения КПД таких систем.

4.11. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ВЕЩЕСТВЕННЫХ СРЕДАХ

Расчеты ЭМП потребовали более точного описания свойств среды. Потребовалось привлечение и освоение разделов физики диэлектриков, металлов, полупроводящих материалов и ферромагнетизма. Проблема промышленного изготовления изоляторов и изолирующих материалов, а также их применения привела к необходимости не только постановки исследований в области технологии, но и к разработке теории физических процессов в диэлектриках. Серии обширных работ по теории электрического пробоя и свойствам диэлектриков были проведены в ВЭИ (П.А. Флоренский), в созданном почти одновременно с ВЭИ Ленинградском физико-техническом институте, руководимым А.Ф. Иоффе (В.А. Фок, Н.Н. Семенов), и организованном Г.М. Кржижановским в 1930 г. Энергетическом институте (B.C. Комельков, Ю.Н. Вершинин). Исследовались природа потерь в диэлектриках (А.П. Александров, И.В. Курчатов, Я.И. Френкель и др.) и физические процессы в диэлектриках, полупроводниках и многофазных средах (А.Ф. Иоффе, И.В. Курчатов, Я.И. Френкель, А.П. Александров, Н.С. Лидоренко и др.), что привело к открытию многочисленных новых материалов с исключительными диэлектрическими (сегнетоэлектрики, материалы высокой проницаемости) и электрическими свойствами. В связи с разработкой и производством новых изоляционных материалов важными стали методы теоретического расчета их диэлектрической проницаемости, синтеза таких материалов с заданными электрическими и магнитными свойствами (А.Н. Лагарьков, Г.С. Кучинский, М.А. Карапетян и др.).

Исключительное место в практических приложениях заняли полупроводники. Особые свойства полупроводников, заключающиеся в зависимости электрического сопротивления контактного слоя между металлами и некоторыми полупроводниками от направления тока, температуры, освещения и электрического поля, созданного другим электродом (транзисторы и тиристоры), привели к созданию многих новых отраслей науки и техники. Вся современная дискретная и вычислительная техника в основе своей имеет дело с полупроводниковыми приборами различного размера и степени интеграции в одном кристалле. В энергетических отраслях важное место занимает свойство полупроводников преобразовывать тепловую и солнечную энергию непосредственно в электрическую.

На основе использования мощных полупроводниковых приборов (тиристоров) стало возможным преобразовывать переменный ток в постоянный и управлять этим процессом. Эта возможность широко используется в многочисленных промышленных установках преобразования частоты в технологических целях и для передачи энергии постоянным током, при освоении которой в СССР были достигнуты выдающиеся результаты.

В ТЭ особое место занимают устройства с ферромагнитными сердечниками, и по этой причине исследование ферромагнитных свойств материалов занимает большое место в научных разработках. Непосредственное отношение к ТЭ имеют исследования, связанные с теорией поведения ферромагнитных тел в ЭМП и теорией электрических цепей, содержащих индуктивные катушки с ферромагнитными сердечниками. Выдающаяся роль в этой области принадлежит В.К. Аркадьеву. Он еще в 1913 г. произвел важные исследования железа и никеля в области сверхвысоких частот и наблюдал исчезновение ферромагнитных свойств при электромагнитных волнах длиной 1 и 3 см. В дальнейших своих исследованиях В.К. Аркадьев показал возможность существования релаксационных и резонансных явлений в ферромагнетиках. Эти исследования применительно к современным задачам электротехники, радиотехники и элементов магнитной памяти в вычислительной технике продолжались К.М. Поливановым и его научной школой на кафедре ТОЭ в МЭИ.