Электромеханикам удавалось решать почти все проблемы, которые возникали перед техногенной цивилизацией

Джеймс Клерк Максвелл, кавендишский профессор, 1871–1879 годы

В поисках электричества

Первой полноценной работой по природному электромагнетизму был трактат «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английского ученого Уильяма Гильберта (1600). В нем он впервые ввел термин «электричество» и назвал электрическими тела, способные электризоваться. С начала XVII и до конца XVIII века параллельно с интенсивным развитием классической механики формулировались научные основы электрофизики и термофизики. Они стали базой интенсивного развития электроэнергетики и технической электромеханики в целом.

Принято считать, что первоисточником прогресса электромеханики как полноценного самостоятельного научного направления являются фундаментальные открытия английского ученого Майкла Фарадея в области индукционного электричества в 1818–1835-е годы (рис. 1). Но открытие Фарадея не было случайным, оно подготовлено работами многих физиков того периода.

В 1785 году француз Шарль Кулон сформулировал закон взаимодействия неподвижных электрических зарядов. В это время в России Андреем Болотовым, Иваном Кулибиным были изобретены переносные установки генераций движения электрических зарядов под действием электрического поля. Они использовались в лечебной практике и для проведения психологических опытов.

Страница из записной книжки Максвелла с расчетом перемешивателя Джоуля.

Опираясь на опыты предшественников и комбинируя результаты многочисленных собственных экспериментов, Майкл Фарадей напечатал обобщающий труд в области индукционного электромагнетизма – трактат «История успехов электромагнетизма». Изложенный в нем закон электромагнитной индукции относят к 100 великим триумфам человеческого разума в области фундаментальной науки: от закона Архимеда, великих прозрений Пифагора и Аристотеля до квантовой механики, концепции Большого взрыва и создания интернета.

Через два года после открытия принципа электромагнитной индукции русский академик Эмилий Ленц в 1883 году установил правила определения направления индуцированного электромагнитного тока и принцип электромагнитной инерции. Это дало ему возможность уже тогда сформулировать принцип обратимости, лежащий в основе любого электромагнитного преобразования энергии.

Фундаментальное объяснение явления электромагнитной индукции дал английcкий физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) – творец законченной физико-математической теории электромагнитного поля. Сам он отмечал, что всего лишь переводил идеи Фарадея в математическую форму. Но вместе с тем он дал замечательную характеристику взглядов своего предшественника: «Приступив к изучению труда Фарадея, я установил, что его метод понимания явлений был также математическим, хотя и не представленным в форме обычных математических символов...»

По современным научным представлениям можно утверждать, что окружающий нас мир состоит из преобразователей и накопителей энергии. В основе всего разнообразия природных явлений лежат четыре фундаментальных взаимодействия между элементарными частицами – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.

Реплика электромотора, созданного Борисом Семеновичем (Мориц Херманн) Якоби. Фото из книги The Physics of Empire. Public Lectures. The Whipple Museum of History of Science. Cambridge, 1994

В природных процессах преобразования и накопления энергии одновременно могут участвовать и магнитные, и электрические поля. Если в том или ином природном процессе преобразования энергии преобладают магнитные силы, а электрическими можно пренебречь, то это значит, что действуют индуктивные электромагнитные преобразователи (ЭМП) энергии c рабочим магнитным полем. Если же преобладают электрические силы, то можно утверждать, что действуют емкостные ЭМП с рабочим электрическим полем. Если мощность магнитных и электрических сил, действующих в общем объеме, соизмеримы, то можно говорить о действии совмещенных индуктивно-емкостных ЭМП с рабочим электрическим полем.

По сути дела, любой природный процесс преобразования энергии электромеханического характера можно моделировать как действие некоего совмещенного индуктивно-емкостного электромагнитного преобразователя энергии. В электромеханических преобразователях (двигателях) электрическая энергия преобразуется в механическую. При этом обязательно часть электрической энергии переходит в тепло. В генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую и тепло.

Рис. 1. Принципиальная схема первичного электродвигателя Майкла Фарадея.

– в природных микроструктурах, особенно в биологических, в мире клеточных и субклеточных структур живой природы, процессах преобразования электромагнитной энергии основная роль принадлежит электрическому полю (действуют емкостные ЭМП, которые занимают область от точки минимума до примерно нескольких ватт);

– индуктивные ЭМП играют решающую роль в природных макросистемах (начиная с макросистем живых организмов до космических объектов) и господствуют в области больших мощностей (начиная от нескольких ватт до 1026 Вт и выше).

На шкале мощностей природных электромеханических преобразователей энергии земного действия имеются две «магические» точки: точка минимума Pп (min) = 10−17 Вт – мощность самого маленького биологического двигателя ворсинки бактерии и точка максимума Pп (max) = 6,5 x 1029 Вт – мощность униполярной «электрической динамо-машины» – планеты Земля.

Созданные человеком технические системы электромеханических преобразователей энергии копируют природные процессы энергопреобразования. В настоящее время человечество освоило некоторые участки узкого интервала шкалы мощностей, экспериментальными точками которого являются точка минимума Pт (min) = 10−8 Вт – мощность самого маломощного нанодвигателя и точка максимума Pт (max) = 0,5 х 109 Вт – мощность турбогенератора (самой мощной электрической машины, созданной человеком на сегодня).

Рис. 2. Предпочтительные области распределения электромагнитных преобразователей энергии на шкале мощностей.  Иллюстрации автора

Сегодня две трети электроэнергии, выработанной на электростанциях, преобразуется различными электроприводами в механическую энергию. Электрические двигатели постоянного и переменного тока строятся на мощности от долей ватта до десятков тысяч киловатт, на напряжении от нескольких вольт до десятков киловольт, а частоты вращения роторов электрических двигателей достигают 500 000 об/мин. Выпускаются двигатели, обеспечивающие точные угловые и линейные перемещения, работающие при температурах, близких к абсолютному нулю, и близких к 600оС; двигатели, работающие в агрессивных средах, в вакууме и при высоких давлениях.

Электродвигатели имеют бесчисленные конструктивные исполнения. Электромеханикам удавалось решить почти все проблемы, которые ставились перед человечеством научно-техническим прогрессом. Но нельзя забывать о некоторых основных проблемах индуктивной электромеханики: создании новых источников промышленного получения электроэнергии, замене дефицитных материалов и энергосбережении. Причем в понятие «энергосбережение» сегодня надо включить и затраты на производство и транспортировку материалов, а также на все аппараты, обслуживающие работу ЭМП.

Как в практике современных технических систем ЭМП, так и в области построения их теоретических основ сделано уже многое и достигнуты несомненные успехи. Но нельзя думать, что все основное уже завершено и остается только изучать созданное старшим поколением электромехаников. Сегодня перед электромеханиками стоят трудные и интересные проблемы, которые требуют глубокого знания теории, проектирования и технологии изготовления электрических машин.

Так, хотя емкостные ЭМП появились значительно раньше индуктивных, они до сих пор не нашли широкого практического применения. В последнее время в передовых научно-исследовательских центрах промышленно развитых стран мира ведутся интенсивные исследования по емкостному электромашиностроению. Успехи в области электротехнического материаловедения и создание на их основе суперконденсаторов с вакуумной изоляцией позволяют создавать автономные емкостные генераторы с вакуумной изоляцией, для которых при промышленно приемлемой напряженности рабочего электрического поля 50 кВ/мм реально получение удельной объемной мощности 500 кВт/м3.

При этом необходимо преодолеть ряд технологических трудностей, связанных с применением в качестве активных электродов материалов, имеющих максимальную чистоту поверхности, выдерживающих частоту вращения выше 1200 об/мин, а также учесть возможную работу ряда узлов в условиях глубокого вакуума (устройства коммуникаций, опоры вала, изоляционные выводы и т.д.).

Перспективное направление развития емкостного электромашиностроения – конструирование машин, у которых рабочее электрическое поле можно концентрировать в веществе с высокими диэлектрическими характеристиками – применять диэлектрики, такие как титанат бария, дигидрофосфат калия или другие жидкие или твердые сегнетодиэлектрические материалы.

Что же касается индуктивно-емкостных электромеханических преобразователей энергии, то здесь предстоит большая работа по созданию их теоретических основ и конструктивной реализации. Развитие совмещенной индуктивно-емкостной электромеханики на базе современной микросистемной технологии открывает большие перспективы для создания новых технологий в области природоподобной робототехники. Там большое внимание уделяется копированию процессов в биологических системах, получению и управлению сложнейшими движениями исполнительных механизмов, созданию микроЭМП и их систем, обеспечивающих перемещение тел в жидкостях, в воздухе и твердых фазах, как это делают птицы, рыбы и морские животные и даже черви.

Современный человек с рождения попадает в мир техники и технологии. Он пользуется его услугами в быту, работает с ним на производстве. На его глазах рождаются все новые и новые машины, приборы, инструменты и услуги. Но неизменной остается непреходящая роль электромеханики.