Jak ukazují tuzemské i zahraniční zkušenosti, nejefektivnějším systémem aktualizace znalostí je flexibilní, celoživotní, kontinuální systém sebevzdělávání a dalšího vzdělávání. Plnohodnotný moderní specialista musí mít schopnost se současně zapojit do sebevzdělávání jak v oblasti obecných teoretických, tak specializovaných znalostí, pouze pak bude schopen najít efektivní způsoby interakce s technologií budoucnosti.
Zároveň si člověk musí pamatovat, že ON je „částice biosféry“ a „částice noosféry“. Musí přizpůsobit svou existenci zákonům noosféry. Podle obrazného vyjádření akademika V.I. Vernadského, kterou formuloval na začátku minulého století, není nutné dobývat přírodu, ale společný harmonický rozvoj přírody a společnosti, jinak lidstvo prostě nepřežije.
Rozhodující role v moderním vědeckotechnickém pokroku patří elektrotechnika,který zahrnuje tři hlavní sekce: Teoretické základy elektrotechniky (TOE), Elektrické stroje (EM) a Elektronika.
Moderní definice elektrotechniky.
Elektrotechnika je oblast vědy a techniky, která využívá elektrické a magnetické jevy k provádění procesů přeměny energie a přeměny hmoty, jakož i k přenosu signálů a informací.
V posledních desetiletích se z elektrotechniky vyprofilovala průmyslová elektronika se třemi oblastmi: informace, technologie a energetika, které jsou pro vědecký a technologický pokrok každým rokem stále důležitější.
Ve vývoji elektrotechniky a elektroniky lze rozlišit následujících 8 etap:
Fáze I: před rokem 1800 – vznik elektrostatiky. Toto období zahrnuje první pozorování elektrických a magnetických jevů, vznik prvních elektrostatických strojů a přístrojů, studium atmosférické elektřiny, vznik elektromedicíny (Galvaniho pokusy), objev Coulombova zákona a zákona zachování energie.
| Obr.1.1. Žába připravená pro experimenty s elektroforem a Leydenskou nádobou. Kresba z Galvaniho pojednání |
V roce 1744 M.V. Lomonosov napsal: „Všechny změny, ke kterým v přírodě dochází, jsou takové stavy, že kolik z něčeho se z jednoho těla odebere, kolik z něčeho se z jednoho těla vezme, tolik se přidá do druhého, takže pokud se někde trochu hmoty ztratí, se zvětší na jiném místě. tento univerzální zákon zasahuje i do samotných pravidel pohybu, neboť těleso, které hýbe jiným svou silou, ztrácí ze sebe tolik, kolik komunikuje s jiným, které od něj pohyb přijímá.»
Relevantní díla M.V. Na Lomonosov se zapomnělo až do roku 1904 a protože byly publikovány v Rusku, nemohly proniknout do západních laboratoří, takže později A.L. Lavoisier opakovaně a nezávisle na M.V. Lomonosov objevil zákon zachování hmoty.
Vynikající vědec – encyklopedista M.V. Lomonosov byl prvním zakladatelem studia elektrických jevů v Rusku, autorem první teorie elektřiny. V roce 1745 vyvinul Georg Wilhelm Richmann první elektrické měřicí zařízení, „elektrické ukazovátko“, který zemřel 25. června 1753 během silné bouřky při provádění experimentu s „strojem na bouřku“.
Rýže. 1.2. Portrét M. V. Lomonosova
II fáze: 1800-1830 – položení základu elektrotechniky a jejích vědeckých základů. Začátek tohoto období byl poznamenán výrobou „Volta Column“ – prvního elektrochemického generátoru stejnosměrného proudu. Poté byla vytvořena „Obrovská baterie“ Vasilije Vladimiroviče Petrova, s jejíž pomocí byl získán elektrický oblouk a bylo učiněno mnoho nových objevů. V tomto období byly objeveny nejdůležitější zákony: Georg Simon Ohm, Jean Baptiste Biot a Felix Savard, Andre Marie Ampere a bylo navázáno spojení mezi elektrickými a magnetickými jevy. Vznikl prototyp elektromotoru.
| Rýže. 1.3. Volta předvádí Napoleonovi svůj vynález – Voltaický sloup. Umělec G. Bertini. 1801. |
| Rýže. 1.4. Voltaický sloup sestávající z kovových disků oddělených kruhy z mokré látky |
Fáze III: 1830-1870g.–zrod elektrotechniky. Nejvýznamnější událostí tohoto období bylo objevení fenoménu samoindukce Michaelem Faradayem a vytvoření prvního elektromagnetického generátoru (založeného na EMR). V tomto období byly formulovány Lenzovy a Kirchhoffovy zákony, byly vyvinuty různé konstrukce elektrických strojů a měřicích přístrojů a zrodila se elektroenergetika. Rozšířené praktické využití elektřiny v domácnostech a každodenním životě však brzdil nedostatek ekonomického elektrického generátoru.
IV stupeň: 1870-1890– formování elektrotechniky jako samostatného technologického odvětví.
V tomto období vznikl první průmyslový generátor se samobuzením (dynamo), což vedlo k vytvoření nového odvětví elektrotechniky „Elektrické stroje“. Výroba je organizována pomocí elektřiny. S rozvojem průmyslu a růstem měst vyvstává potřeba elektrického osvětlení. Začíná výstavba „domových“ elektráren vyrábějících stejnosměrný proud. Elektrická energie se stává komoditou a stále více je pociťována potřeba centralizované výroby a hospodárného přenosu elektřiny. Tento problém nelze řešit stejnosměrným proudem z důvodu nemožnosti transformace stejnosměrného proudu. V této době Pavel Nikolaevič Yablochkov vynalezl elektrickou svíčku a vyvinul schéma drcení stejnosměrného elektrického proudu pomocí indukčních cívek, které jsou transformátorem s otevřeným magnetickým systémem. V polovině 80. let začala sériová výroba jednofázových transformátorů s uzavřeným magnetickým systémem (Max Dern, Otto Blati, K Tsipernovsky) a výstavba centrálních střídavých elektráren.
Rozvoj výroby si však vyžádal komplexní řešení problému hospodárného přenosu elektrické energie na velké vzdálenosti a vytvoření ekonomického a spolehlivého elektromotoru. Tento problém byl řešen na základě vícefázových, zejména 3-fázových systémů.
Fáze V: 1891–1920. – vznik a rozvoj elektrifikace.
Předpokladem pro vývoj 3-fázové soustavy byl v roce 1988 objev fenoménu rotujícího magnetického pole. Jako nejracionálnější se ukázal 3-fázový systém. Na vývoji tohoto systému se podílelo mnoho vědců z různých zemí, ale největší zásluhu má ruský vědec Michail Osipovič Dolivo-Dobrovolsky, který vytvořil 3-fázové synchronní generátory, asynchronní motory a třífázové transformátory. Přesvědčivou předností 3fázových obvodů byla výstavba třífázového elektrického vedení mezi německými městy Laufen a Franktfurt za aktivní účasti M.O. Dolivo-Dobrovolského.
Výzkum jevů vyskytujících se v obvodech sinusového proudu pomocí vektorových a koláčových diagramů se rozšiřuje. Velkou roli v analýze procesů v takových obvodech sehrála komplexní výpočetní metoda navržená v letech 1893-1897. Charles Proteus Steinmetz. Teoretické základy elektrotechniky se stávají základní disciplínou na vysokých školách a základem vědeckého výzkumu v oboru elektrotechniky.
Fáze VI: 1920 – 1940. – zrod elektroniky: vakuová zařízení, trioda, dioda. 1923 – Losev vytvořil první polovodičovou diodu – cristadin, která mohla fungovat jako vysokofrekvenční oscilační generátor. Radiotechnika se objevila jako nezávislá věda.
VII fáze: 1940 – 1970. – vznik informatiky: konstrukce elektronických počítačů.
VIII etapa: 1970 – Do teď – informatika jako samostatná věda.
(Přednáška byla připravena na základě knihy „Eseje o historii elektrotechniky“ od O.N. Veselovského, Ya.A. Shneiberg., M. MPEI, 1993.
Doporučuji také přečíst si knihu „Vznik a vývoj elektrotechniky a elektroenergetiky“, B.V. Papkov, Nižnij Novgorod, „Křemen“ 2011)
Testové otázky na téma přednášky
1) Definice vědy „Elektrotechnika“.
2) Kolik etap lze rozlišit v historii vývoje elektrotechniky?
3) Čas ukončení první etapy.
4) Zákon zachování hmoty a hybnosti podle M.V.Lomonosova. – definice.
5) Kteří vědci pracovali v první fázi rozvoje elektrotechniky?
6) Začátek a konec druhé etapy rozvoje elektrotechniky.
7) Kteří vědci pracovali během druhé etapy?
Základní zákony elektrotechniky objevené ve druhé fázi vývoje.
9) Začátek a konec třetí etapy rozvoje elektrotechniky.
10) Kteří vědci pracovali ve třetí etapě?
11) Základní zákony elektrotechniky, objevené ve třetí etapě vývoje.
12) Začátek a konec čtvrté etapy rozvoje elektrotechniky.
13) Kteří vědci pracovali ve čtvrté etapě?
14) Základní zákony elektrotechniky, objevené ve čtvrtém stupni vývoje.
15) Začátek a konec páté etapy rozvoje elektrotechniky.
16) Kteří vědci pracovali během páté etapy?
17) Hlavní události v oblasti elektrotechniky, ke kterým došlo v páté etapě vývoje.
18) Začátek a konec šesté etapy rozvoje elektrotechniky.
19) Kteří vědci pracovali během šesté etapy?
20) Hlavní události v elektrotechnice, ke kterým došlo v šesté etapě.
21) Začátek a konec sedmé etapy vývoje elektrotechniky.
22) Jaká věda se zrodila během sedmé etapy?
23) Začátek osmé etapy rozvoje elektrotechniky.
Základní pojmy a definice v elektrotechnice.
Elektrický obvod – soubor zdrojů elektrické energie, elektrických vedení a energetických přijímačů. Pro analýzu a syntézu elektrických obvodů jsou zavedeny následující pojmy: elektromotorická síla (EMF), značeno Е; zdůrazňuje, označené U (Е и U měřeno ve Voltech [B]); proud (I) měřeno v ampérech [A]; odpor R, [Ohm]; vzájemný odpor – vodivost (G) měřeno v Siemens [Cm] (R=1/G); indukčnost L , Henry jednotka [Gn]; kapacita С, měrná jednotka Farad [F]. Na obrázcích jsou výše uvedené prvky označeny takto:
| R |
| G |
aktivní odpor a vodivost – , ,
| L |
| C |
| Е |
J  |
Kladný směr proudu je směr, ve kterém se pohybují kladně nabité částice nebo směr opačný k pohybu elektronů.
Zdroje elektřiny.
Skutečný zdroj elektřiny má vnitřní odpor větší než nula a v elektrotechnice je zastoupen ve formě dvou možností – Zdroj EMF a zdroj proudu.
Ideální zdroj EMF má nulový vnitřní odpor. U ideálního zdroje proudu RVN = ∞, tzn. ten vyšší RVN , čím blíže je zdroj proudu k ideálu (obr. 2.1).
Skutečný zdroj má vnitřní odpor.
| RVN |
| Е |
| RН |
| U |
| I |
| IKZ |
| E |
| CVC skutečného zdroje |
Rýže. 2.1. Ekvivalentní obvod skutečného zdroje EMF – (a) a jeho proudově-napěťová charakteristika (CVC) – (b).
| I |
| J |
| CVC skutečného zdroje |
| CVC ideálního zdroje |
| UXX |
Rýže. 2.2. Ekvivalentní obvod skutečného zdroje proudu je (a) a jeho charakteristika proudového napětí (CVC) je (b).
Zdroj proudu lze získat ze zdroje EMF, pokud je paralelně ke zdroji proudu připojen odpor rovný vnitřnímu odporu zdroje EMF. V souladu s tím je aktuální hodnota zdroje proudu určena vzorcem I=E/RVN (Obr. 2.2).
Uzel elektrický obvod – toto je bod, ve kterém jsou připojeny 3 nebo více větví (obr. 2.3).
Rýže. 2.3. Označení uzlu elektrického obvodu.
Větev elektrického obvodu – část obvodu umístěná mezi dvěma uzly, sestávající z jednoho nebo více elektrických prvků zapojených do série. Stejný proud teče po větvi (obr. 2.4).
Rýže. 2.4. Označení větve elektrického obvodu.
Uzavřený elektrický obvod nazývána cesta procházející několika větvemi a uzly rozvětveného elektrického obvodu (obr. 2.5).
Elektrifikace hraje rozhodující roli v moderním vědeckém a technologickém pokroku. Jak víte, elektrifikace znamená plošné zavádění elektrické energie do domácností a každodenního života a dnes neexistuje oblast techniky, která by elektrickou energii v té či oné podobě nevyužívala a v budoucnu se její využití ještě rozšíří.
Elektrotechnika v širokém slova smyslu označuje oblast vědy a techniky, která využívá elektrické a magnetické jevy pro praktické účely.
Tuto obecnou definici elektrotechniky lze blíže odhalit zvýrazněním těch hlavních oblastí, ve kterých se elektrické a magnetické jevy využívají: přeměna přírodní energie (energie); přeměna hmoty přírody (technologická); přijímání a vysílání signálů nebo informací (informací). Elektrotechniku tedy mohu úplněji definovat jako vědní a technologický obor, který využívá elektrické a magnetické jevy k provádění procesů přeměny energie a přeměny hmoty, jakož i k přenosu signálů a informací.
V posledních desetiletích se z elektrotechniky vynořila průmyslová elektronika se svými třemi oblastmi: informace, energetika a technologie, které jsou každým rokem stále důležitější při urychlování vědeckého a technologického pokroku.
Ve vývoji elektrotechniky lze zhruba rozlišit následujících šest etap.
1. Vznik elektrostatiky (před rokem 1800)
Toto období zahrnuje první pozorování elektrických a magnetických jevů, vytvoření prvních elektrostatických strojů a přístrojů, výzkum atmosférické elektřiny, vývoj prvních teorií elektřiny, ustanovení Coulombova zákona a vznik elektromedicíny.
2. Položení základů elektrotechniky a jejích vědeckých základů
Začátek tohoto období byl poznamenán vytvořením „voltaického sloupu“ – prvního elektrochemického generátoru a po něm „obrovské baterie“ V.V. Petrova, s jejíž pomocí získal elektrický oblouk a učinil mnoho nových objevů. Mezi nejvýznamnější úspěchy tohoto období patří objev základních vlastností elektrického proudu, zákony Ampere, Biot-Savart, Ohm, vytvoření prototypu elektromotoru, prvního indikátoru elektrického proudu (násobiče), a vytvoření spojení mezi elektrickými a magnetickými jevy.
3. Zrození elektrotechniky (1830-1870)
Nejvýznamnější událostí tohoto období byl M. Faraday objev fenoménu elektromagnetické indukce a vytvoření prvního elektrického strojního generátoru. Byly vyvinuty různé konstrukce elektrických strojů a přístrojů, byly formulovány Lenzovy a Kirchhoffovy zákony, vznikly první zdroje elektrického osvětlení, první elektroautomatické přístroje a zrodila se elektrická měřicí zařízení. Rozšířené praktické využití elektrické energie však nebylo možné kvůli nedostatku ekonomického elektrického generátoru.
4. Vznik elektrotechniky jako samostatného odvětví techniky (1870-1890)
Vytvořením prvního vyrobeného elektrického strojního generátoru se samobuzením (dynamem) se otevírá nová etapa ve vývoji elektrotechniky, která se stává samostatným technologickým odvětvím.
V souvislosti s rozvojem průmyslu a růstem měst je naléhavá potřeba elektrického osvětlení a začíná výstavba „domových“ elektráren, které vyrábějí stejnosměrný proud. Elektrická energie se stává komoditou a stále více je pociťována potřeba centralizované výroby a ekonomického přenosu elektřiny na velké vzdálenosti. Tento problém nebylo možné řešit na bázi stejnosměrného proudu z důvodu nemožnosti transformace stejnosměrného proudu.
Významným podnětem k zavedení střídavého proudu byl vynález „elektrické svíčky“ P. N. Yabločkova a jeho vývoj obvodu pro rozdělování elektrické energie pomocí indukčních cívek, což byl transformátor s otevřeným magnetickým systémem. Jednofázové motory však nebyly vhodné pro účely průmyslového elektrického pohonu.
Současně se vyvíjejí metody přenosu elektrické energie na velké vzdálenosti výrazným zvýšením napětí elektrického vedení.
Další rozvoj elektrického osvětlení přispěl ke zdokonalování elektrických strojů a transformátorů; v polovině 80. let. zahájena sériová výroba jednofázových transformátorů s uzavřeným magnetickým systémem (M. Deri, O. Blati, K. Tsipernovsky).
Implementuje se myšlenka P. N. Yablochkova centralizované výroby a distribuce elektřiny a začíná výstavba centrálních střídavých elektráren. Rozvíjející se výroba si však vyžádala komplexní řešení složitého vědeckotechnického problému: ekonomický přenos elektřiny na velké vzdálenosti a vytvoření ekonomického a spolehlivého elektromotoru, který splňuje požadavky průmyslového elektrického pohonu. Tento problém byl úspěšně vyřešen na základě vícefázových, zejména třífázových systémů.
5. Vznik a rozvoj elektrifikace (od roku 1891)
Nejdůležitějším předpokladem pro rozvoj třífázových soustav byl objev (1888) fenoménu rotujícího magnetického pole. První vícefázové motory byly dvoufázové.
Jako nejracionálnější se ukázal třífázový systém, který měl oproti jednofázovým obvodům i jiným vícefázovým systémům řadu výhod. Vědci a inženýři z různých zemí významně přispěli k vývoji třífázových systémů. Ale jak bude dále ukázáno, největší zásluhu má M. O. Dolivo-Dobrovolsky, který dokázal dát své práci praktický charakter, vytvořil třífázové synchronní generátory a asynchronní motory, transformátory.
Přesvědčivou ukázkou výhod třífázových obvodů byl slavný přenos výkonu Laufen-Frankfurt (1891), postavený za aktivní účasti Dolivo-Dobrovolského.
Od této doby začal prudký rozvoj elektrifikace: stavěly se výkonné elektrárny, zvyšovalo se napětí přenosu energie a vyvíjely se nové konstrukce elektrických strojů, přístrojů a zařízení. Elektromotor zaujímá dominantní postavení v systému průmyslového pohonu. Proces elektrifikace postupně pokrývá nové oblasti výroby: rozvíjí se elektrometalurgie, elektrotermie a elektrochemie. Elektrická energie se začíná stále více využívat v nejrůznějších průmyslových odvětvích, v dopravě, v zemědělství i v každodenním životě.
Rozšířené používání střídavého proudu vyžadovalo teoretické porozumění a matematický popis fyzikálních procesů vyskytujících se v elektrických strojích, elektrických vedeních a transformátorech. Výzkum jevů ve střídavých obvodech se rozšiřuje pomocí vektorových a koláčových diagramů.
Obrovskou progresivní roli v analýze procesů v obvodech sehrála komplexní metoda navržená v letech 1893-1897. C. P. Steinmetz.
S rozvojem velkých energetických soustav a zvětšením dosahu přenosu výkonu vyvstal vážný vědeckotechnický problém zajištění stability paralelního provozu elektrárenských generátorů, který řešili domácí i zahraniční vědci. Teoretické základy elektrotechniky se stávají základem akademických disciplín na vysokých školách a základem vědeckého výzkumu v oboru elektrotechniky.
6. Vznik a vývoj elektroniky (první čtvrtina XNUMX. století)
Rostoucí poptávka po stejnosměrném proudu (elektrochemie, elektrická doprava atd.) si vyžádala rozvoj technologie měničů, což vedlo ke vzniku a následně rychlému rozvoji průmyslové elektroniky.
Elektrotechnika se stává základem pro vývoj automatizovaných řídicích systémů pro energetiku a výrobní procesy. Vytvoření nejrůznějších elektronických, zejména mikroelektronických zařízení nám umožňuje radikálně zvýšit efektivitu automatizace výpočtových procesů, zpracování informací, modelování složitých fyzikálních jevů, řešení logických problémů atd., při výrazném zmenšení rozměrů zařízení, zvýšení jejich spolehlivost a účinnost.
Od vytvoření velkých integrovaných obvodů (LSI) nastal v elektronice významný pokrok, jejich výkon se měří v miliardtinách sekundy a jejich minimální rozměry jsou 2-3 mikrony. Zavedení LSI vedlo k vytvoření mikroprocesorů, které digitálně zpracovávají informace podle programu, a mikropočítačů.
Rychlý rozvoj mikroelektroniky vedl ke vzniku a výraznému pokroku nového vědního a technického oboru – informatiky. Již na počátku 80. let. u nás i v zahraničí začali vyrábět mikroprocesory a mikropočítače v jednom čipu. To vše má obrovský vliv na zvýšení spolehlivosti, snížení velikosti a energetické náročnosti mikroelektronických zařízení používaných v různých výrobních procesech, automatizovaných řídicích systémech, dopravě a domácích zařízeních.
