Вивчення вченими природних сил електромагнітної взаємодії
дали поштовх до інтенсивного розвитку обертальних електричних машин
Як відомо, щоб досконало розібратися в закономірностях будь-якої галузі знань, необхідно знати історію розвитку. Вивчення вченими-науковцями природних сил електромагнітної взаємодії, які вважались сучасникам абстрактними, надзвичайно повчальні і заслуговують особливої уваги та розуміння.
Отже, коротко… Людині електричні та магнітні властивості тіл були відомі досить давно. Першою науковою роботою про електрику був трактат “Про магніт, магнітні тіла і великий магніт – Землю”, написаний відомим англійським вченим У. Гільбертом у 1600 р. У. Гільберт назвав “електричними” тіла, що здатні електризуватися і ввів термін “електрика”. За визначенням У. Гілберта “електрика” – це сукупність явищ у яких існують і перебувають у русі і взаємодії заряджені частинки. Століттями термін “електрика” змінював своє визначення, але і зараз для сучасної людини навіть з вищою освітою, електрика не є повністю зрозумілою і вивченою, - особливо її вплив на живі організми, в тому числі її дії в лікувальних властивостях, та вплив на навколишнє середовище рослинного світу тощо.
О. Геріке в 1660 р. описав першу електричну машину тертя, яка складалась із виготовленої з сірки кулі, що при обертах натиралась долонями рук. На початку ХVІІІ століття Ф. Гауксбі замінив кулю із сірки пустою скляною кулею.
У 1743 р. в машину було введено ковзний контакт, який знімав електричні заряди і машина стала постійно віддавати електричні заряди. У Києві така електрична машина вперше була установлена в 1783 році у кабінеті при бібліотеці Києво-Могилянської академії завдяки сприянню І. Я. Фальковського.
В кінці ХVІІІ століття було створено ємнісну електричну машину, ротор якої було виконано у вигляді диску діаметром 2 м. Ця машина створювала іскру довжиною біля 2 м.
У ХІХ і ХХ століттях ємнісні машини тертя, або електрофорні машини продовжували розвиватися, але, як силові електромеханічні перетворювачі, використовувались лише індуктивні машини – а про ємнісні електричні машини майже забули.
Прийнято вважати, що історія електричних машин має свій початок відтоді, коли у 1821 р. М. Фарадей (1791 – 1867) створив електричний двигун, який складався із постійного магніту, навколо якого обертався провідник, закріплений зверху над магнітом, по якому протікав постійний струм живильної батареї гальванічних елементів. Ковзний контакт забезпечувався ртуттю, налитою в скляну чашу.
В двигуні М. Фарадея при постійному струмі у провіднику і постійному магнітному полі, створеному постійним магнітом, відбувалося перетворення електричної енергії в механічну.
Виключно плідною і важливою частиною роботи М. Фарадея стало уявлення про електричне поле.
М. Фарадей вперше вводить поняття про магнітні силові лінії. На першому етапі розвитку електротехніки, на конструкцію електричних машин, значно вплинули успіхи в створенні парових двигунів, в яких зворотно-поступальний рух поршня перетворювався в обертаючий рух валу. Алгоритм створення електродвигуна на принципі зворотно-поступального руху був перенесений в явища електромагнітної взаємодії безпідставно і виявився хибним шляхом, забрав багато часу, неймовірних зусиль у винахідників електричних двигунів і не дав позитивного результату.
В 1831 році американський фізик Д. Генрі запропонував двигун зворотно-поступального руху, в якому рухливий електромагніт притягувався до постійних магнітів і відштовхувався від них, з’єднував і роз’єднував контакти батареї гальванічних елементів. Двигун Д. Генрі здійснював 75 коливань на хвилину і мав потужність 0,04 Вт. Були й інші спроби створення електродвигунів зворотно-поступального руху, але майбутнє було за електричними машинами, в яких використовуються явища електромагнітної взаємодії і перетворюються в обертаючий руху ротора електричної машини взаємодією на нього електромагнітного обертаючого поля, створеним в обмотках статора машини.
В 1832 році брати Піксіс, на основі робіт М. Фарадея, створили генератор з обертаючими постійними електромагнітами. В нерухомих котушках з вітками ізольованих дротів, при обертанні постійних магнітів, з’являвся змінний струм. Це був один із перших генераторів змінного струму. Проте змінний струм в ті часи не знаходив використання, а для перетворення струму у постійний, використовувались механічні комутатори.
В 1834 році Санкт – Петербурзький академік Б.С. Якобі створив і описав електродвигун, який працював за рахунок наближення і відштовхування 4-х підковоподібних електромагнітів. Не будемо вдаватися у подробиці конструкції цього двигуна, а приведемо тільки приклад його використання.
В 1838 році Б.С. Якобі об’єднав 40 таких електродвигунів, які працювали на два вали боту (по 20 двигунів). Джерело живлення електродвигунів складалось з 320 гальванічних елементів. Бот, який разом з 12 пасажирами плавав по р. Неві декілька годин, при сильному вітрі і проти течії. Це було перше практичне використання електричних машин! Тільки через 100 років електричні двигуни, як приводний механізм гвинта, стали використовувати на пароплавах, а двигуни, запропоновані Б.С. Якобі, не знайшли використання.
В 1838 році Е. Ленц експериментально показав можливість роботи машини постійного струму в режимі електродвигуна і режимі генератора.
В 1873 році Ф. Гефнер-Альтенек і В. Сименс створили генератор постійного струму з барабанним якорем, який мав всі основні елементи сучасного генератора постійного струму.
В Києві у 1890 р. споруджено електростанцію постійного струму в районі Національної опери і прокладено міську електромережу.
В кінці 80-х років ХІХ століття М. Тесла і Г. Феррарі, в результаті своїх досліджень, показали, що дві котушки з вітками ізольованого дроту, розміщених під прямим кутом одна до одної і підключені до джерел змінного синусоїдального струму, створюють вектор сумарної магнітної індукції в точці перетину вісі цих котушок, який отримує рівномірний обертаючий рух не змінюючись по абсолютній величині. Так, було відкрито, що за допомогою двох, або більше змінних синусоїдальних струмів, можливо отримувати постійно обертаюче магнітне поле.
В 1889 році видатний електротехнік М.Й. Доліво-Добровольський запропонував трифазну систему змінного синусоїдального струму і в цьому ж році створив перший трифазний генератор, асинхронний двигун, ротор якого обертається внаслідок взаємодії його з постійно обертаючим магнітним полем, створеного в трифазній електричній системі змінного струму, та трансформатор змінного струму. Геній М.Й. Доліво-Добровольського спочатку інтуїтивно довів те, що в трифазній системі змінного струму створюється економічно найефективніша передача електричної енергії на усякі відстані і подальше збільшення числа фаз являється недоцільним, так як воно приведе до значного збільшення витрат міді на провідники. Водночас в трифазній системі змінного струму створюється симетричне обертаюче електромагнітне поле, яке обертається пропорційно частоті змінного струму. Його геніальна ідея була підтверджена пізніше математичним шляхом та побудовою різних векторних діаграм. На цьому принципі електромагнітної взаємодії працюють всі електродвигуни змінного струму в різних галузях діяльності людства всього Світу.
У Києві у грудні 1898 р. почала діяти перша, на теренах Росії, електрична станція трифазного змінного струму загального користування на вул. Андріївській, 19.
Трифазна система змінного струму з початку 90-х років ХІХ ст. назавжди увійшла в енергетику. Розпочалося використання потужних природних сил електромагнітної взаємодії в промисловості, і в усіх сферах діяльності людства взагалі.
На черзі споконвічне торжество істини, мудрості, знання, застава прозріння інших форм і властивостей матерії…