Зарождение электротехники

Оглавление:

Введение

19 век ознаменовался величайшими открытиями в области электричества и электромагнетизма и положил начало развитию современной электротехники и радиоэлектроники.

Итальянского ученого Александра Вольта по праву можно считать одним из отцов-основателей электротехники. В 1800 году он создал ячейку Вольта, первый гальванический элемент. Он поместил две пластины (одну цинковую, другую медную) в сосуд с кислотой и соединил их проволокой. Цинковая пластина начала растворяться, а на медной пластине образовались пузырьки газа. Вольта предположил и показал, что по проволоке течет электрический ток.

Для практических целей Вольта придал гальваническому элементу форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединенных между собой колец цинка, меди и ткани, пропитанных кислотой. Вольтов столб был высотой в полметра и развивал напряжение, чувствительное для человека. Изобретение А. Вольта позволило создать устройство для производства электроэнергии достаточно большой мощности, решив тем самым одну из самых насущных проблем исследователей того времени.

С древних времен электричество и магнетизм были известны по отдельности (первое упоминание об электричестве и магнетизме относится к 8 веку до н.э.), но их взаимосвязь не была доказана ни одним ученым.

Научные открытия в электротехнике

Одним из первых ученых, экспериментально подтвердивших взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, был датский физик Ханс Кристиан Эрстед. В 1820 году он продемонстрировал, что провод, по которому течет ток, отклоняет стрелку магнитного компаса.

На лекции в университете Эрстед продемонстрировал нагревание провода электричеством от вольтова столба, для чего изготовил электрическую или, как ее тогда называли, гальваническую цепь. На демонстрационном столе стоял морской компас, над стеклянным колпаком которого проходил один из проводов. Вдруг один из студентов (свидетельства здесь разнятся — говорят, что это был аспирант или даже служащий университета) заметил, что игла магнитного компаса отклоняется в сторону, когда Эрстед завершает цепь. Однако есть мнение, что Эрстед сам заметил отклонение руки.

Первое, что говорит в пользу стороннего наблюдателя, это то, что Эрстед сам занимался манипуляциями по скручиванию проводов, и маловероятно, что он, проводивший подобный эксперимент много раз до этого, проявил бы живой интерес к его ходу.

Однако предыдущие исследования Эрстеда и его увлеченность концепцией Шеллинга свидетельствуют об обратном. Некоторые источники даже указывают на то, что Эрстед якобы повсюду носил с собой магнит, чтобы постоянно размышлять о связи между магнетизмом и электричеством. Возможно, это выдумка, чтобы упрочить положение Эрстеда как исследователя. Если он действительно был так озабочен этой проблемой, почему он не попытался целенаправленно поставить эксперимент с электрической цепью и компасом раньше? В конце концов, компас — одно из самых очевидных практических применений магнита. Тем не менее, нельзя отрицать, что он думал над проблемой взаимосвязи между электричеством и магнетизмом, так же как и над проблемами взаимосвязи других явлений, между которыми не было никакой связи.

Сначала Эрстед повторил условия своего лекционного опыта, а затем начал их модифицировать. При этом он обнаружил следующее: «Если расстояние между проволокой и стрелкой не превышает 3/4 дюйма, то отклонение составляет 45°. По мере увеличения расстояния угол становится пропорционально меньше. Абсолютное значение отклонения изменяется в зависимости от мощности аппарата».

Далее экспериментатор решает проверить влияние проводников из разных металлов на стрелку. Для этого он берет проволоку из платины, золота, серебра, латуни, свинца и железа. И происходит необъяснимое! Металлы, ранее не обладавшие магнитными свойствами, приобретали их, когда через них проходил электрический ток.

Эрстед начал экранировать стрелку от проволоки с помощью стекла, дерева, смолы, гончарной глины, камней и электрофорного диска. Экранирование не сработало. Указка постоянно отклонялась. Он даже отклонялся, когда его помещали в сосуд с водой. Отсюда следует вывод: «Подобной передачи эффекта различными веществами не наблюдалось ни в обычном электричестве, ни в вольтовом электричестве».

Когда Эрстед расположил соединительный провод перпендикулярно, магнитная стрелка вовсе не указывала на него, а была как бы касательной к окружности, центрированной на оси провода. Исследователь предложил рассматривать действие токоведущей проволоки как вихрь, поскольку для вихрей характерно, что они действуют в противоположных направлениях на двух концах одинакового диаметра.

Прочитав работу Эрстеда, английский экспериментатор Майкл Фарадей обнаружил вращение магнита вокруг проводника с током и вращение проводника с током вокруг магнита. Через 10 лет он открыл явление электромагнитной индукции, исследовал явление самоиндукции и экстратоки короткого замыкания. Фарадей дал представление о линиях силы, которые, по его мнению, существовали, предположил, что распространение электромагнитных взаимодействий — это волновой процесс, который распространяется с конечной скоростью. Фарадей дал математическое описание явления электромагнитной индукции (закон Фарадея), которое позже стало одним из четырех уравнений Максвелла. Фарадей предположил, что в пространстве вокруг проводника с током действуют особые электромагнитные силы, но не завершил работу, связанную с этим предположением.

В 1861 — 1865 годах британский физик, математик и механик Джеймс Максвелл продолжил работу Фарадея, проведя серию экспериментов с электромагнитными волнами, и на их основе создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы четырех дифференциальных уравнений (уравнений Максвелла). Из них вытекала возможность существования электромагнитного поля, которое может распространяться в пространстве в виде электромагнитной волны, частным случаем которой является световая волна. Максвелл пришел к выводу об электромагнитной природе света (1865) и показал, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света.

Первые устройства беспроводной связи

В 1872 году американский изобретатель Махлон Лумис получил первый в мире патент на устройство беспроводной связи — радиотелеграф. Это устройство было способно передавать радиосигнал на расстояние до 20 километров и было продемонстрировано в Вирджинии в октябре 1872 года.
28 ноября 1875 года американский инженер Томас Эдисон сообщил прессе, что во время экспериментов с телеграфом он заметил явление, которое назвал «эфирными силами». Нурмухамедов Л.Х., Кривошейкин А.В. История и методология науки и производства: Учебное пособие.- СПб: СПбГУКиТ, 2006. Однако эта теория не была признана научным сообществом, и Эдисон не стал продолжать свои исследования в этой области.

В 1878 году англо-американский изобретатель Дэвид Хьюз запатентовал устройство для передачи и приема радиоволн, основанное на его открытии взаимосвязи между шумом в телефонной трубке и воздействием на нее индуктивного маятника. Это изобретение позже было названо «микрофоном Хьюза».
В 1884 году итальянский изобретатель Фемистокл Кальчези-Онести изобрел трубку, заполненную железными опилками, которую позже назвали «трубкой когерентности». Это изобретение послужило прототипом электрического выключателя, без которого радиовещание было бы невозможно.

В 1885 году Т. Эдисон получил патент на систему радиосвязи между кораблями, который он позже продал Гульельмо Маркони.

Электромагнитные волны в радиодиапазоне (l = 6 м, f = 500 МГц) были впервые обнаружены и изучены немецким физиком и естествоиспытателем Генрихом Герцем в 1886-1889 годах. Он генерировал и излучал их с помощью вибратора, возбуждаемого искровым разрядом. Под действием полученной волны во втором вибраторе зажглась искра.

Г. Герц показал, что электромагнитные волны способны отражаться, преломляться, интерферировать и поляризоваться подобно световым волнам. Таким образом, он доказал, что радиоизлучение обладает всеми свойствами волн, которые стали известны как электромагнитные волны или волны Герца. Он обнаружил, что уравнения, описывающие электромагнитное поле, могут быть переформулированы в виде дифференциального уравнения, называемого волновым уравнением.

Однако Герц не предвидел возможности использования электромагнитных волн для передачи информации. Интересно, что идея использования электромагнитных явлений для передачи сигналов принадлежит А. Амперу.

Явление электрического резонанса, исследованное норвежцем Бьеркнесом (1890-1891), сыграло важную роль в экспериментах Герца.

Он был выведен еще в 1853 году У. Томсоном (лордом Кельвином) в связи с решением проблем прокладки трансатлантического телеграфного кабеля. Француз И. Бранли открыл (1890) и изучил явление, что сопротивление металлического порошка уменьшается, когда он подвергается электрической вибрации, а первоначальное высокое сопротивление возвращается, когда его встряхивают. Лабораторный прибор, использовавшийся для демонстрации этого явления, назывался радиокондуктором, именно так впервые вошел в оборот термин «радио».

Известны и другие изобретатели устройств для радиопередачи. В 1885-1892 годах фермер из Кентукки Натан Стабблфилд утверждал, что изобрел радио, но его устройство, похоже, работало по индуктивному принципу, а не по принципу радиоприема/передачи. В 1893-1894 годах бразильский священник и ученый Роберто де Мора экспериментировал с беспроводной связью, но опубликовал свои достижения только в 1900 году.

Изобретение радио

В истории радио и развития «беспроволочной телеграфии» есть несколько претендентов на изобретение радио. Например, сербский инженер Никола Тесла разработал устройства для надежной генерации радиосигналов, публично продемонстрировал принципы радиосвязи и первым передал радиосигналы на большие расстояния. Итальянский ученый и предприниматель Гульельмо Маркони одним из первых запатентовал радиопередающее устройство, оснастил корабли спасательным оборудованием для беспроводной связи и создал первую трансатлантическую радиослужбу. Русский физик и электротехник Александр Сергеевич Попов разработал радиопередающее устройство для кораблей ВМФ.

В 1893 году Никола Тесла провел публичную демонстрацию беспроводной радиосвязи в Сент-Луисе, США. В своем выступлении перед Институтом Франклина в Филадельфии и Национальной ассоциацией электрического освещения он подробно объяснил принципы радиосвязи. Аппарат, который он использовал для своей демонстрации, содержал все элементы, применявшиеся в ранних радиосистемах до появления электронных ламп. Тесла был первым, кто применил явление электропроводности для практической цели беспроводной связи. Он также был первым, кто использовал электромагнитные приемники, превосходящие по чувствительности когерентность. Впоследствии они использовались Маркони и другими экспериментаторами. После этого выступления широко обсуждались принципы радиосвязи (передача сигнала приемнику через воздушное пространство). Многие ученые, изобретатели и экспериментаторы занялись исследованием методов беспроводной связи.

19 августа 1894 года британский физик Оливер Лодж продемонстрировал прием сигнала азбуки Морзе с помощью радиоволн, используя когерер. В ноябре 1894 года индийский физик Джагадис Чандра Бозе публично продемонстрировал использование радиоволн в Калькутте, но не был заинтересован в патентовании своей работы. Бозе произвел воспламенение пороха и звон колокола на расстоянии с помощью электромагнитных волн, доказав, что сигналы связи могут передаваться без использования проводов. В 1899 году он объявил об изобретении «железо-ртутно-железной когерентности с телефонным детектором» в работе, представленной в Лондонское королевское общество.

В 1895 году российский физик Александр Степанович Попов продемонстрировал аппарат для приема электромагнитных волн. Это устройство могло принимать радиосигналы, передающие информацию — азбуку Морзе. Этот приемник открыл эру развития практической радиотехники. Уже в 1900 году оборудование Александра Попова обеспечило надежную связь во время спасения броненосца «Генерал-адмирал Апраскин», севшего на мель на скалах у острова Гогланд.

В 1896 году Гульельмо Маркони продемонстрировал устройство для отправки и приема радиосигналов. В том же году он получил британский патент на усовершенствование передачи электрических импульсов и сигналов, а также на устройство для этой цели. Это был первый патент в области радио, хотя в нем использовались методы, ранее применявшиеся другими экспериментаторами (в частности, Теслой), и применялись приборы, аналогичные тем, которые ранее демонстрировали другие (в частности, А. С. Попов).

В 1896 году Чандра Бозе отправился в Лондон, чтобы прочитать серию лекций, и там познакомился с Маркони, который проводил эксперименты по беспроводной связи для британского почтового ведомства. В 1897 году Маркони построил первую радиостанцию на острове Уайт в Англии, а к 1898 году он смог открыть первый в Англии радиозавод, на котором работало около 50 человек.

В Соединенных Штатах Никола Тесла подал заявку на два ключевых патента в области радио в 1897 году. Эти два патента были выданы ему в начале 1900-х годов. В том же году он начал строительство башни Уорденклифф, которая должна была стать частью мощной системы беспроводной связи (мощностью около 200 кВт). Тесла утверждал, что башня Уорденклиффа, как часть всемирной системы передатчиков, обеспечит надежный многоканальный прием и передачу информации, всемирную навигацию, синхронизацию часов и глобальную систему позиционирования.

В 1904 году Патентное бюро США пересмотрело свое предыдущее решение и выдало Маркони патент на изобретение радио, вероятно, под влиянием его финансовых сторонников в Штатах, среди которых были бизнесмены Томас Эдисон и Эндрю Карнеги.

Заключение

Развитие радиотехники на заре ее истории было напрямую связано с развитием электротехники. В качестве теоретической основы для развития радиотехники в этот период особое значение имела теория резонансных контуров.

С изобретением электрических устройств для радиопередачи все больше внимания уделялось теоретическим исследованиям в области обработки информации, кодирования и шифрования — поэтому в ряду исследователей радиотехники вместе с изобретателями стоят ученые-теоретики.

Впоследствии, по мере усложнения радиооборудования и увеличения влияния помех, радиотехника как наука стала слишком сложной для изучения в своем первоначальном виде и, соответственно, была разделена на более специализированные области науки. В результате такого роста сложности новые полученные знания становятся все более специфичными, проверка этих знаний занимает много времени, и в целом все меньше и меньше людей способны усвоить эти знания. Возникает процесс, при котором интерес к научно-техническому творчеству теряется, но результаты этого творчества невероятно востребованы. Результатом этого процесса стал кризис научных знаний в области беспроводных технологий.

Для того чтобы преодолеть этот кризис, мы предложили рассмотреть эту проблему со следующих сторон: эпистемологической, технической и социальной.

Гносеологический подход описан в работах В.И. Купцова. Л.Х. Нурмухамедов и А.В. Кривошейкин, которые рассматривают кризис в развитии радиотехники как один из этапов научной революции. Для преодоления кризиса в этом случае необходимо создание новых научных теорий, которые были бы более глобальными и позволяли бы создать наиболее полную картину мира, учитывая все экспериментальные данные.

Технический подход используется в работах В.В. Шахгильдяна и заключается в получении новых технологий, приборов и систем для создания наиболее полного набора эмпирических фактов, на основе которых можно критически проанализировать сложившиеся научные парадигмы, а возможно, и создать собственную парадигму.

Социальный подход изложен в работах Ж. Бодрийяра, В. Беньямина, Т.Л. Михайловой. Она заключается в том, что для преодоления кризиса научных знаний в области радиотехники необходимо создать условия для массового коллективного творческого процесса. Необходимо, с одной стороны, поднять престиж профессии ученого-радиотехника, а с другой стороны, развивать индивидуальные исследовательские способности каждого заинтересованного человека.

Список литературы

И.Г. Анкудинов, А.М. Митрофанов, О.Л. Соколов. — Санкт-Петербург: Северо-Западный федеральный университет, 2002.
Бенджамин, В. Доктрина сходства. Медийно-эстетические работы. — 2012.
Бодрийяр, Ж.: Общество потребления. Его мифы и структуры. — Москва: Культурная революция, Республика, 2006.
Борисов, В.П. Современная радиоэлектроника. — Москва: Наука, 1993.
Борисов В.П., Сретенский В.Н. Эксперименты, теории и открытия, предшествовавшие эпохе радио. / Radiotekhnika. 1995. выпуск. 4-5.
Быховский, М.А. Развитие телекоммуникаций: к информационному обществу: история телеграфа, телефона и радио до начала XX века: учебник для вузов / М.А. Быховский — Изд. 2-е. — М.: URSS, 2012 г. — 340 с
Капица П.Л. Эксперимент, теория, практика — М., 1981.
Купцов В.И. Философия и методология науки: учебник / под ред. В.И. Купцова. — Москва: Аспект-пресс. 1996.

На странице рефераты по философии вы найдете много готовых тем для рефератов по предмету «Философия».

Здесь темы курсовых работ по философии

Читайте дополнительные лекции: