История электротехники

Сильный импульс для развития электротехнологии дали многочисленные работы по получению алюминия, в ходе которых разрабатывались различные типы электротехнологических установок (ЭТУ): гарниссажная печь Ч.С. Брадли (США, 1883 г.), резистивные рудо-восстановительные печи прямого нагрева братьев А. и Е. Коулесс (США, 1884 г.), электролизные ванны П.Л.Т. Эру (Франция, 1886 г.) и Ч.М. Холл (США, 1886 г.). Однако эффективное развитие и применение ЭТУ стало возможным лишь с переходом от химических источников питания к источникам питания, основанным на законе электромагнитной индукции, т. е. с созданием мощных генераторов и увеличением производства электроэнергии (конец XIX — начало XX в.). С этого времени начали развиваться различные виды ЭТУ для осуществления разнообразных технологических процессов, в частности для получения и обработки качественных сталей, цветных и тугоплавких металлов, полупроводников, пластмасс и других материалов. На создание ЭТУ сильное влияние оказали развитие автомобилестроения, особенно в США, а позднее авиа- и ракетостроения, атомной промышленности и т.д.

Принято разделять электротехнологические процессы и соответствующие им ЭТУ на следующие классы:

электротермические процессы и установки (электрическая энергия преобразуется в теплоту, использующуюся в технологических процессах);

электросварочные процессы и оборудование (используется практически все тот же принцип нагрева, что и в электротермических установках);

электрофизические процессы и установки (использование различных физических эффектов для механической обработки, разделения и улавливания частиц и т. п.);

электрохимические процессы и установки (для получения различных веществ, размерной обработки, гальванотехники и электролиза);

Электротермические установки используют различные физические механизмы преобразования электрической энергии в тепловую. Соответственно выделяются следующие виды нагрева:

резистивный;

электродуговой;

индукционный (нагрев проводников в электромагнитном поле);

диэлектрический (нагрев диэлектриков в электромагнитном поле);

плазменный (нагрев потоком плазмы — ионизированного газа);

электронно-лучевой;

фотонный (нагрев с использованием лазера — лазерный).

Отметим, что если первые три вида нагрева известны с XIX в., а диэлектрический нагрев стали применять с 30-х годов XX в., то начало развития электронно-лучевого, плазменного и лазерного нагрева относится уже к 50–60-м годам XX в.

Историю развития электротехнологии целесообразно рассматривать в соответствии с приведенной классификацией.

По истории электротехнологии ранее опубликован ряд специальных работ, кроме того, в некоторых учебниках и монографиях по электротехнологии и электротермии имеются разделы, посвященные вопросам истории.

Авторы при написании данной главы использовали работы, целиком посвященные истории электротехнологии или имеющие соответствующие главы [7.1–7.23], а также оригинальные научные публикации и патенты.

7.1. ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ

7.1.1. РЕЗИСТИВНЫЙ НАГРЕВ

Начальный период. Первые эксперименты по нагреву проводников электрическим током относятся к XVIII в. В 1749 г. Б. Франклин (США) при исследовании разряда лейденской банки обнаружил нагрев и расплавление металлических проволочек, а позднее по его указанию Дж. Пристли (1766 г.), почетный член Петербургской академии наук, изучал нагрев различных металлов и отметил различия в их проводимости.

Нагрев проводников исследовали Л. Тенар (Франция, 1801 г.), В. В. Петров (1802 г.) и X. Дэви (Англия, 1807 г.). Используя вольтов столб, Дж.Г. Чилдрен (Англия, 1815 г.) осуществил нагрев и расплавление различных металлов. Несколько ранее Пепи (Англия) поставил эксперименты по нагреву алмазной пыли в разрезе железной проволоки, которая раскалялась при протекании электрического тока докрасна. Через некоторое время алмазная пыль исчезала, а железо превращалось в сталь. Это устройство можно считать первой электропечью сопротивления косвенного действия. Р. Хар (Англия, 1839 г.) предложил вакуумную печь сопротивления с использованием воздушного насоса. Важный для расчета установок резистивного нагрева закон выделения энергии в проводнике при протекании тока открыли Дж.П. Джоуль (1841 г.) и Э.Х. Ленц (1844 г.).

В 1849 г. М. Депре изготовил лабораторную печь с угольным нагревателем в виде трубки длиной 23 мм. Г.Б. Симпсон получил американский патент (1859 г.) на нагревательное устройство с нагревателем в виде спирали, расположенным в углублениях изолирующей подложки.

Первые применения резистивного нагрева в медицине:

Штейнхель и Хейдер (Австрия, 1845 г.) использовали электрический нагрев для умерщвления зубного нерва;

Миддельдорпф (Германия, 1854 г.) применил электронагрев в хирургии.

Увеличение производства электроэнергии в конце XIX в. позволило создавать крупные электропечи сопротивления.