История электротехники

Однако в целом отсутствие в России равноценной западным странам проектной и промышленной базы стимулировало работы теоретического и исследовательского характера. В ТЭ такие исследования развивались в области формирования собственной точки зрения на ЭМП и, в частности, на влияние свойств среды на распространение электромагнитного поля и его использование для передачи сигналов. В прикладном аспекте следует отметить работы А.С. Попова (1859–1906 гг.), который в 1895 г. на заседании физического отделения Русского физико-химического общества продемонстрировал возможность передачи сигналов при помощи электромагнитных волн. Следует особо отметить изобретение Б.Л. Розингом, работавшим в Петербургском политехническом институте, системы передачи изображения (1911 г.) при помощи электронно-лучевой трубки (патент 1907 г.).

Важное значение для развития ТЭ имела изначальная ориентация большинства русских физиков на фарадей-максвелловы идеи о физической реальности процессов, происходящих в ЭМП. Профессор Петербургского университета И.И. Боргман (1849–1914 гг.) и ряд ученых на своих лекциях и в докладах на собраниях, организованных физическим отделением Русского физико-химического общества и электротехническим отделом Русского технического общества, пропагандировали и распространяли идеи, способствующие формированию знаний в области ТЭ. В контексте этих идей предметом глубокого и всестороннего рассмотрения стала проблема оценки принципов близко- и дальнодействия.

История создания электротехнических устройств показала, что решающее значение приобретает глубокое понимание физической картины протекающих в них электромагнитных процессов. Именно эта особенность в максимальной мере отличала развитие отечественной школы ТЭ. В этой связи следует отметить принципиальное отличие методических основ подготовки научных и инженерных кадров для экономики и формирования ТЭ в нашей стране от иностранных. Несмотря на совпадение на начальном этапе развития ТЭ и раздела физики, относящегося к ЭМП, в университетских курсах и у нас и за границей прикладные аспекты электромагнитных процессов не рассматривались. В этом отношении весьма показательно высказывание автора двухтомного курса физики И.И. Боргмана «Основания учения об электрических и магнитных явлениях», вышедшего из печати в 1895 г. в Петербурге. В этой книге автор заканчивает раздел, относящийся к рассеянию энергии в стали, следующими словами: «Вопрос о выделении тепла в железе при намагничивании его, т.е. рассеянии энергии при этом, представляет большой интерес в электротехнике, в теории трансформатора. Более подробное рассмотрение этого вопроса выходит из пределов настоящего курса». Эти, по существу дела, общие теоретические вопросы недостаточно полно рассматривались и в ряде специальных электротехнических курсов, читавшихся известными учеными электротехниками того времени: П.Д. Войнаровским, организовавшим первую русскую лабораторию высоких напряжений (2x100 кВ), А.А. Вороновым, крупным специалистом по электрическим машинам, и др. О необходимости восполнения этого пробела при подготовке кадров будущих специалистов-электриков вспоминает крупный ученый М.А. Шателен (1866–1957 гг.), чл.-корр. АН СССР с 1931 г.: «Особенно нас не удовлетворяла подготовка по теоретической электротехнике. Читавшийся тогда в Электротехническом институте «Специальный курс электричества», несмотря на то, что он читался таким крупнейшим профессором, как И.И. Боргман, не удовлетворял нас. В сущности это был тот же курс, который И.И. Боргман читал на физико-математическом факультете университета, только сокращенный. Никакой специфики, связанной с его целевым назначением не было.

И вот тут у Владимира Федоровича Миткевича начали назревать те мысли, которые потом были осуществлены в Политехническом институте, когда он начал читать на электромеханическом факультете (тогда отделении) курс теоретических основ электротехники. Аналогичного курса не было ни в русской, ни в иностранной литературе. Это было действительно изложение основ учения об электрических и магнитных явлениях, предназначенное специально для будущих инженеров-электриков и подготавливающее студентов к сознательному восприятию тех сведений, которые они потом получали в специальных курсах электрических машин, высоких напряжений и т.п.

Я помню тот исключительный интерес, который проявляли к этому курсу не только студенты, но и преподаватели и молодые электрики и физики. Литографированные листы этого курса разбирались нарасхват».

Речь здесь идет о курсе «Теория электрических и магнитных явлений», который В.Ф. Мит-кевич начал читать в 1904 г. в Политехническом институте и который был издан в 1912 г. В этих воспоминаниях высказана основная идея создания не просто учебного курса, а всего направления ТЭ, заключающаяся в создании совместными усилиями теоретиков и специалистов прикладного направления общего физического и математического фундамента для всех специальных дисциплин. В 1905 г. была начата подготовка инженеров электротехнической специальности и в Московском высшем техническом училище (МВТУ). Основные теоретические курсы «Теория переменных токов» (изданный в 1906 г.) и «Электрические измерения» в МВТУ начал читать Карл Адольфович Круг (1873–1952 гг.). Этими курсами, в систематической форме излагающими основные положения двух важнейших разделов ТЭ, и была заложена основа отечественной школы ТЭ. Со времени появления этих курсов в учебные программы всех высших учебных заведений, готовивших инженеров-электриков, неизменно входил курс «Теоретические основы электротехники».

Монографии и учебники по ТЭ отражали и систематизировали технические и научные достижения в области электротехники и физико-математических дисциплин в России и за ее пределами и в свою очередь служили фундаментом для дальнейшего развития электротехники. Вместе с тем развитие прикладных аспектов электротехники приводило к возникновению все новых и новых проблем, входящих в компетенцию ТЭ. На начальном этапе развития электротехники быстрее появлялись новые области приложения физических открытий, а следовательно, и новые отрасли электротехники. В последующем наблюдалась обратная картина, когда окрепшие и самостоятельно развивающиеся отрасли электротехники ставили перед наукой новые задачи, побуждающие развитие ТЭ. Установление основных законов электродинамики, т.е. взаимодействия токов и магнитных полей, привело к изобретению электрической связи, электрических машин и трансформаторов. В свою очередь, анализ процессов в электрических цепях способствовал оптимальному проектированию электрических сетей и линий электропередачи. Открытие электромагнитных волн дало толчок к изобретению радио и радиотелефонной связи, космической связи и навигации и т.п. Широкое применение электрических цепей и систем переменного тока, содержащих трансформаторы, электрические машины, двигатели и другие элементы, в которых происходило преобразование электрической энергии, поставило новые задачи перед ТЭ. Началось интенсивное развитие теории электрических цепей переменного тока, теории симметричных составляющих, переходных процессов и др. В этой связи особо значительным как в инженерном отношении, так и в отношении развития методов расчета электрических цепей было введение метода представления синусоидальных токов и напряжений в виде комплексных величин американским инженером Ч.П. Штейнмецем. Об этом методе Ч.П. Штейнмец докладывал в 1893 г. на Международном электротехническом конгрессе.

Исследования токов коротких замыканий при включении и выключении нагрузки привели к разработке новых методов расчета переходных процессов во всех электротехнических установках и в других областях инженерной практики, например при расчете гидравлических процессов.

Следует особо отметить вклад в развитие методов ТЭ английского физика Оливера Хевисайда (1850–1925 гг.). Подход О. Хевисайда к исследованию электромагнитных явлений — пример для специалиста в области ТЭ. Он стремился гармонически сочетать глубину понимания физического процесса и математических методов его представления и расчета для получения данных, количественно характеризующих эти процессы. В ТЭ он ввел много новых понятий (функцию Хевисайда, определяющую современное понятие единичной функции, импульсной функции и др.) и методов расчета. Большое внимание было уделено развитию раздела математики, необходимого для расчета переходных процессов в электрических цепях. Исследуя процесс установления тока в проволоке (сопротивление) при ее включении под действие постоянного напряжения, он пришел в выводу, что в процессе установления тока (по современной терминологии, в течение переходного процесса) он течет «по слоям, сильный на поверхности провода, слабый в середине» и определил зависимость этого явления от скорости изменения тока, т.е. предсказал явление поверхностного эффекта и объяснил его, введя понятие, аналогичное вектору Умова — Пойнтинга почти одновременно с Д.Г. Пойнтингом. Для расчета переходных процессов он использовал операторы, преобразующие дифференциальные уравнения в алгебраические. Подходы физика О. Хевисайда к исследованию электромагнитных процессов были близки к таковым в ТЭ в отношении доведения исследований до количественных данных. И то обстоятельство, что Хевисайд изобретал математические методы, отчасти разработанные задолго до него математиками, являлось отражением основного пробела в развитии ТЭ на начальном этапе — недостаточного использования достижений математики.

4.4. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА В СССР

Масштабное развитие ТЭ в СССР неразрывно связано с Октябрьской социалистической революцией, которая поставила перед народом грандиозные задачи развития экономики и науки. Интересно отметить, что чуть более месяца спустя после Октябрьской революции в декабре 1917 г. на конференции фабрично-заводских комитетов Урала была поставлена задача «разработать план развития электротехнической индустрии с целью использования силы текущих вод». В те же годы техническая общественность выдвигала многочисленные проекты электрификации. Так, например, Русское техническое общество ставило вопрос о проведении изысканий в районе Самарской дуги для постройки мощной гидростанции. Электрификация страны означала перевод народного хозяйства на уровень, определяемый проникновением электротехники во все области жизни современного общества, поскольку только на этой основе возможно ускоренное и эффективное развитие производительных сил, новых технологий, улучшение условий труда и повышение жизненного уровня населения. С точки зрения опыта, накопленного к концу XX в., все это выглядит самоочевидным, однако в то время такой выбор для создания плана долговременного развития в масштабе целой страны был поистине революционным. В СССР своевременно оценили и сделали государственной техническую политику, основанную на максимальном использовании особых свойств ЭМП, а именно высокой степени упорядоченности его внутреннего движения, отсутствии массы покоя и в связи с этим предельной скорости движения. Эти свойства обеспечивают преобразование ЭМП в другие формы с высоким КПД и позволяют их эффективно применять при электрификации не только для выработки, передачи и преобразования энергии в энергетике, но и для управления большими потоками энергии, передачи сигналов, создании быстродействующих информационных систем, ЭВМ и дискретной техники и др.

Опыт нашей, в то время отсталой, страны показал, что целенаправленную электрификацию эффективнее осуществлять в рамках единого в масштабе всей страны плана. Для создания и осуществления такого плана в 1920 г. была создана комиссия, возглавляемая Г.М. Кржижановским, в состав которой вошли крупные специалисты России, в том числе представители ТЭ В.Ф. Миткевич, М.А. Шателен, К.А. Круг, М.К. Поливанов, А.А. Горев, А.А. Смуров и др. Этот план получил название Плана государственной электрификации России (ГОЭЛРО), опыт которого послужил основой планового развития СССР. Реализация плана ГОЭЛРО привела к созданию новых отраслей промышленности, в частности энергомашиностроительной, электротехнической и приборостроительной. Для научного обеспечения планов были созданы многочисленные исследовательские и проектные институты, организации для проектирования технологического обеспечения и заводы для изготовления многочисленного оборудования для электрических станций, линий электропередачи и потребителей электрической энергии. Были созданы многочисленные кафедры и научные лаборатории в высших учебных заведениях, что позволило обеспечить инженерными кадрами эти новые отрасли.

Реализация планов электрификации в области ТЭ основывалась на научном потенциале и результатах исследований отечественных ученых. При создании уникальной по протяженности и размерам сети высоковольтных и сверхвысоковольтных линий передачи электрической энергии, основы единственной в мировой практике единой электроэнергетической системы, широко применяется выдвинутая в 1910 г. В.Ф. Миткевичем идея расщепления проводов фаз для подавления коронного разряда. Создание высоковольтной техники для подстанций и линий передачи с научной точки зрения было подкреплено наличием в лабораториях высших школ изобретенным В.К. Аркадьевым и Н.Н. Баклиным в 1914 г. генераторов импульсных напряжений. Имелись значительные результаты в исследованиях по теории длинных линий, измерительной технике, в том числе высоковольтной, и другим аспектам теории в области ТЭ, которые были представлены в докладах М.А. Шателена, А.А. Чернышева, А.А. Горева и др. на восьмом Всероссийском электротехническом съезде на рубеже 1912–1913 гг. Однако для реализации планов электрификации необходимо было развитие не только исследовательской, но и технической базы страны.

Приступая к реализации плана ГОЭЛРО, наши инженеры были вынуждены в значительной мере ориентироваться на технический опыт развитых в промышленном отношении стран вследствие слабой промышленной базы России и особенно ее электротехнического сектора. В одной из технических записок, характеризующих то время, говорится: «Только собственный опыт может помочь русским техникам в правильном решении всей совокупности всех сложных вопросов техники высоких напряжений и высоковольтных передач, и только при наличии собственных опытных данных возможно будет для будущих высоковольтных сооружений вполне сознательно и с полным основанием установить надлежащие и наивыгодные формы, которые пока еще только выявляются, но окончательно еще не определены». Несмотря на то что именно в области техники высоких напряжений российские ученые имели большой научный задел, строительство на практике первой высоковольтной линии электропередачи напряжением 110 кВ, показало недостаточность конкретных данных, столь необходимых при выборе конструкций, конструкционных материалов и их свойств. Для решения этих проблем уже в 1921 г. было принято решение основать Государственный экспериментальный электротехнический институт, впоследствии Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ им. В.И. Ленина). Его основателем и первым руководителем стал видный специалист в области ТЭ К.А. Круг — создатель Московской школы теоретической электротехники.