Текст книги "История технических инноваций: учебное пособие"

1. История эволюции конденсаторов.

2. История развития «батарейки».

3. Вклад русских ученых в электроэнергетику.

4. Потребление электроэнергии на душу населения как один из главных факторов качества жизни.

5. План ГОЭЛРО – залог становления СССР.

6. Величайшие электростанции мира.

7. Саяно-Шушенская ГЭС – одна из крупнейших электростанций мира.

8. Общая структура электроснабжения вашего населенного пункта.

9. Современная высоковольтная линия электропередач – сложное техническое устройство.

1. Сотовая энергетика – энергетика будущего?

1. Надеждин Н.Я. История науки и техники. – Ростов н/Д: Феникс, 2006.

2. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru

2.4. Освещение

Учитель:

– Дети, какие части света вы знаете?

– Части света? – переспрашивает ученик. – Выключатель, лампочка, провода.

NN

Одна из первых функций, которую стало выполнять электричество, связана с освещением. Древние города никак не освещались, в лучшем случае – факелами или лампами с маслом. В домашнем освещении много веков преобладала свеча, а в избах простого народа лучина. Первое постоянное ночное освещение стало возможно с изобретением керосиновых фонарей. Широко распространена была профессия фонарщика, в его обязанности входило обслуживание фонарей, их заправка, зажигание вечером и тушение утром. Следующий шаг связан с появлением системы газового освещения, представление о котором мы можем составить из фильмов, показывающих Лондон времен Шерлока Холмса.

Газовое освещение было неудобным, дорогим и небезопасным. Революция в деле ночного освещения произошла с изобретением Александром Николаевичем Лодыгиным в 1872 г. электрической лампочки накаливания. Источником свечения в ней являлся тонкий угольный стерженек, светящийся при пропускании через него электрического тока.

Изобретение Лодыгина попадает в руки Эдисону. Со свойственной ему энергией и при наличии финансов американский предприниматель очень быстро усовершенствует лампу и тут же начинает промышленное производство в Америке.

В 1876 г. Павел Николаевич Яблочков получает патент на изобретенную им электрическую свечу. В его лампочке светится газ электрической дуги. На Всемирной выставке в Париже в 1878 г. свеча демонстрируется с большим успехом.

Париж переходит с газового освещения на электрическое, а свет дуговых ламп стал называться во Франции «русским светом». Правда, потом усовершенствованные в Европе лампы стали появляться в России и вызывали у населения ассоциации с освещенной и просвещенной Европой, не в пример «темной» России. Кое-где его даже стали называть парижским светом. Так «русский» свет вернулся на Родину.

Сегодня не только Париж и Петербург сияют в ночное время искусственным светом электрических ламп. Каждый мегаполис «купается» по ночам в электрическом свете. При приближении к большому городу можно за 30–50 километров увидеть

отсвет электрического освещения на облаках. Большую часть своего времени мы проводим при электрическом освещении, особенно в зимнее время. Современный человек – это человек искусственного освещения. Первое и самое главное неудобство при отключении электроэнергии мы связываем с отсутствием света. В сознании современного человека электричество и свет настолько связаны друг с другом, что их часто используют как синонимы. Кто не слышал выражение «Сегодня отключили свет!».

При массовом потреблении электроэнергии на освещение выяснились существенные недостатки ламп накаливания и дуговых ламп – большая часть их энергии излучается в невидимом, тепловом диапазоне, а КПД не превышает и 10 %. Лампы накаливания правильнее называть не лампами, а печками, так как они больше греют, чем светят. Это хорошо знает тот, кто хотя бы раз стоял на сцене под светом мощных ламп – софитов. Когда около 35 % всей потребляемой электрической энергии стало приходиться на освещение, стало очевидно, что лампам накаливания пора искать альтернативу.

Замена лампам накаливания нашлась не скоро – только в 60-е годы XX в. появились электрические лампы другого принципа действия. Это люминесцентные лампы. Электрический разряд, протекающий через инертный газ, вызывает ультрафиолетовое свечение, преобразуемое поверхностью лампы в видимое. Именно потому такие лампы иногда называют световыми трансформаторами. Они значительно экономичнее и долговечнее ламп накаливания, но имеют свои недостатки – часть выходящего из нее ультрафиолетового излучения может принести вред зрению.

Следующая световая революция может по праву называться светодиодной. Она произошла относительно недавно, и все мы являемся ее свидетелями. Теперь никто не берет в поход тяжелый фонарик с лампами накаливания, непрерывно работающий не более двух часов, в ходу легкие компактные фонарики. Две небольшие «пальчиковые» батареи обеспечивают работу такого фонарика в течение года, а яркость света при этом несравнимо больше!

Светодиоды произвели качественный скачок в световом окружении человека: они могут светиться самыми разными цветами, давать рассеянный и узконаправленный свет. Отсутствие вакуумированных баллонов и нитей накала, сверхминиатюрность, низковольтность, простота управления свечением, долговечность, надежность, ударо-, взрыво– и пожаробезопасность, экологичность – все это преимущества светодиодов. Но самое главное, что современные светодиоды по достигнутой светоотдаче (80—120 лм/Вт) во много раз превзошли лампы накаливания и некоторые типы люминесцентных источников.

Производством «полупроводникового света» занимаются такие крупные компании, как японская Nichia, американская Сгее, европейские Lumileds, Philips, Osram, и др. Параллельно наблюдается свертывание стекольного производства для ламп накаливания. С 1 января 2011 г. в Российской Федерации прекращен выпуск ламп накаливания мощностью более 100 Вт. Это означает, что «лампочка Ильича» останется символом XX в. И совсем скоро мы увидим эту лампочку только в музее, рядом с печатной машинкой и патефоном.

История светодиодной техники началась, когда в 1922 г. Олег Лосев, лаборант Нижегородской радиолаборатории заметил свечение некоторых точечных кристаллических диодов, которые использовались в радиоприемниках. По результатам наблюдения Лосевым была опубликована статья, оставшаяся практически незамеченной.

В 1953 г. Генрих Велькер в Германии разработал теорию создания необходимых полупроводников из соединения элементов 3-й и 5-й групп Таблицы Менделеева и синтезировал некоторые из них, в частности, арсенид галлия – основу будущих лазеров и светодиодов.

В 1962 г. американец Ник Холоньяк сообщил о начале полупромышленного выпуска светодиодов.

В 1970-е годы группа Жореса Алферова приспособила к светодиодам гетероструктуры (чередование слоев разных полупроводников вместо легирования, т. е. добавления примесей). Японец Шуджи Накамура из фирмы Nichia в 1993 г. создает яркий синий светодиод, а еще через два года и белый.

Сегодня светодиоды широко используют для разметки дорог, в светофорах, маяках, бакенах, габаритных и стоп-сигнальных огнях автомобилей.

Так, элементы разметки в антивандальном исполнении наглухо вдавливаются в дорожное полотно на 10 лет, периодическая подзарядка осуществляется индукционно. Динамично развивается рынок светопанелей – это вывески, рекламы, бегущие строки, огромные ТВ-экраны. Все активнее архитекторы и дизайнеры внедряют подсветку зданий, светодиоды для этого особенно привлекательны своей многоцветностью, удобством управления, долговечностью. Ватикан, например, намерен все крупные храмы украсить такой подсветкой.

Пройдет совсем немного времени, и ночная сторона нашей планеты будет ярко светить миллиардами светодиодов… Если, конечно, не появятся новые источники света, еще более яркие и экономичные.

1. Исследование КПД лампы накаливания.

2. История создания и принцип действия люминесцентных ламп.

3. Принцип действия и производство светодиодных ламп.

4. Сравнительные характеристики различных электрических ламп.

5. Определение экономической эффективности перехода на «энергосберегающие» источники света дома и в учебном учреждении.

6. Светотехника современного концертного зала.

1. Надеждин Н.Я. История науки и техники. – Ростов н/Д: Феникс, 2006.

2. Решетов В. Сияющий кристалл // Вокруг света. – 2010. – № 10.

3. Готлиб И. Прощайте, лампочки Ильича // Вокруг света. – 2010.-№ 10.

4. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru

2.5. Радио

В фантастических романах главное это было радио. При нем ожидалось счастье человечества. Вот радио есть, а счастья нет.

Илья Ильф

Передача информации всегда во всех государствах и во все времена представляла важную проблему Вести передавали барабанным боем, дымом, кострами, голубями, семафорами, гонцами-бегунами и скакунами. Кому неизвестна история про спартанца, пробежавшего 42 км и 195 м от Марафона до Афин с вестью о победе над персами? Если бы не изобрели радио, все были бы марафонцами. Чтобы послать SMS, надо бы было заказать марафонца и вручить ему записку. Но как его заказать? По телефону? Круг замкнулся. Как видно, без радио мы не можем представить нашей современной жизни.

Термин «радио» происходит от лат. radio — излучаю, испускаю лучи (ср. лат radius — луч). Радио представляет собой разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.

Радио – не просто очередное изобретение, это открытие новой формы существования материи – электромагнитного поля. Эту материю невозможно пощупать или увидеть, но, как оказалось, ей можно найти практическое применение. Причем это применение оказало настолько глубокое и глобальное воздействие на людей, что изменило их качественно, превратив в единое человечество. Радио послужило началом новой информационной эпохи в развитии цивилизации.

История изобретения радио является одним из самых наглядных примеров, доказывающих объективность научно-технического прогресса, хотя порой кажется, что двигают его отдельные личности. Будущая техническая инновация, подготовленная и созревшая предыдущими открытиями и изобретениями, начинает «витать в воздухе», пока кто-то из исследователей этой области не «увидит» ее. Чаще всего, это изобретение приходит в голову нескольким изобретателям. Установить, кто и насколько дней сделал это раньше на самом деле, часто становится невыполнимой, да и не очень нужной задачей. Следует отдать дань уважения всем тем, кто благодаря своему уму, таланту, трудолюбию оказались на передовом крае научно-технического прогресса, успешно приняли эстафету, чтобы передать ее новым поколениям.

Генрих Герц, Никола Тесла, Александр Попов и Гульельмо Маркони внесли свой неоценимый вклад в развитие радио. Итальянцы гордятся тем, что Маркони – итальянец, англичане обоснованно ставят себе в заслугу, что Маркони получил все возможности для работы в Англии, Никола Тесла – легенда Сербии, Хорватии и Америки. В России считают отцом радио Александра Степановича Попова. Но можно назвать еще десятки ученых из самых разных стран, внесших свой вклад в развитие радио, но известных только специалистам.

Первые предпосылки появления радио можно отнести к 1820 г., когда Ганс Христиан Эрстед обнаружил, что проволока с электрическим током вызывает отклонение магнитной стрелки. Затем, естественно, нельзя не упомянуть (уже в который раз!) обнаружение в 1831 г. Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции. Одно из продолжений этого важнейшего открытия связано с дальнейшим развитием фундаментальной физики, а именно, с созданием в 1865 г. Джеймсом Максвеллом теории электромагнитного поля.

Блестящее практическое подтверждение теоретических положений Максвелла было получено Генрихом Герцем. На своей экспериментальной установке, хорошо известной школьникам из учебника физики, он изучил и описал основные свойства электромагнитных волн: обнаружил отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, доказал, что скорость их распространения совпадает со скоростью распространения света, что свет представляет собой разновидность электромагнитных волн. Все это было изложено в работе «О лучах электрической силы», вышедшей в декабре 1888 г., которая, послужила катализатором поиска надежных способов осуществления беспроволочной связи во всем мире. Кроме того,

Герц заметил, что электромагнитные волны проходили через одни виды материалов и отражались другими. Описание Герцем этих свойств можно считать началом истории появления и развития радаров.

Совершенно очевидно, что если бы Генрих Герц не умер в 1894 г. от заражения крови в возрасте 36 лет, он успел бы сделать еще очень многое, в том числе и в области развития радио.

Но и до публикаций Герца, когда свойства электромагнитных волн были теоретически рассмотрены Максвеллом, а их реальное существование только осознавалось физиками-экспериментаторами на уровне смутных прозрений, практические работы по их использованию уже велись! Так, в 1872 г., за шесть лет до исследований Герца Малой Лумис получил первый в мире патент на беспроводную связь. Этот пример показывает, что не всегда фундаментальная наука идет впереди прикладных исследований и определяет их развитие, хотя, конечно, отсутствие теории значительно тормозит практику. В свое время, отсутствие соответствующей теории помешало Томасу Эдисону: 28 ноября 1875 г. он рассказал журналистам о замеченном им странном явлении во время опытов с телеграфом. Сегодня каждый из нас знает, как реагируют динамики компьютера или радиоприемника на отклик вызову, идущему к нашему телефону. Но ни телефонов, ни радиоприемников в те времена не было. Поэтому остается только удивляться внимательности и скрупулезности Эдисона как исследователя, не упускающего из вида никаких подробностей, которые большинству кажутся досадной случайной мелочью. Эдисон как смог объяснил это явление некими «эфирными силами», был высмеян за это другим великим изобретателем – Элиу Томсоном и, в конце концов, не стал этим больше заниматься.

В 1878 г. Дэвид Хьюз, изобретатель микрофона, был первым, кто передал и принял радиоволны. Когда он продемонстрировал, что индуктивный маятник вызывает шум в приемнике его телефона, научное сообщество единодушно отметило, что это всего лишь наводимая индукция.

Наконец, в 1893 г., когда работы Герца уже были широко известны, Никола Тесла перед слушателями Института Франклина и Национальной Ассоциации Электрического Света в Сент-Луисе (США) провел успешную и бесспорную демонстрацию беспроводной радиосвязи. В своем выступлении он изложил принципы радиосвязи, определил элементную базу радиосистем, просуществовавшую затем довольно долго. После этого выступления стало понятно, что радио имеет большие перспективы в самом ближайшем времени, что подогрело интерес ученых к этой проблематике. Именно этот патент стал предметом дальнейших судебных разбирательств, так как многими считался точкой отсчета изобретения радио.

Были еще несколько попыток доказать первенство в изобретении радио – это и бразильский священник и ученый Роберто де Мора, и даже фермер из Кентукки Натан Стаблфилд. Но первый до 1900 г. не отметился ни одной публикацией по этому поводу, а второй не смог доказать, что это не индукция.

Уже 19 августа 1894 г. британский физик Оливер Лодж продемонстрировал прием сигнала азбуки Морзе с помощью радиоволн. Для этого он использовал изобретенный ранее трудами Эдварда Бранли и Фемистокла Кальчецци-Онести «когерер» – трубку, наполненную железными опилками. Интересные свойства этого, на первый взгляд, совершенно заурядного устройства заключались в том, что при пропускании через него электрического разряда его сопротивление падало в сотни раз. При встряхивании сопротивление восстанавливалось. Этот элемент стал основным элементом для беспроводных телеграфных аппаратов на протяжении еще десяти лет, пока не были разработаны более совершенные датчики.

Лодж изложил принципы настройки радио на нужную частоту и в 1898 г. получил патент на использование антенного контура, в котором предлагалось «использовать настраиваемую индукционную катушку или антенный контур в беспроводных передатчиках или приемниках, или в обоих устройствах».

На каком-то отрезке времени он продвинулся на пути к изобретению радио дальше всех, но так его и не изобрел. Когда Лоджа спросили о причинах неудачи, он ответил: «Я был слишком занят работой, чтобы браться за развитие телеграфа или любого другого направления техники. У меня не было достаточного понимания того, чтобы почувствовать, насколько это окажется экстраординарно важным для флота, торговли, гражданской и военной связи».

Индийский физик Джагадис Чандра Бозе тоже не увидел перспектив открытия, сделанного им в 1894 г. Посредством радиоволн он смог воспламенить порох и заставил звенеть колокол на расстоянии, но далеко идущих последствий от этой демонстрации не последовало: физик вполне удовлетворился удивлением зрителей и не сделал никаких дальнейших попыток запатентовать свое изобретение.

25 апреля 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербургском университете российский физик Александр Степанович Попов прочитал лекцию, на которой продемонстрировал прибор для беспроводного телеграфирования. К сожалению, из-за секретности этого сообщения до сих пор не совсем ясно, была ли передана при этом связная радиограмма или был продемонстрирован всего лишь принцип действия прибора. Известно совершенно точно, что 18 декабря 1897 г. приемник А.С. Попова, размещенный в физической лаборатории Петербургского университета, смог принять слова «Генрих Герц» от передатчика в здании химической лаборатории на расстоянии 250 м.

Маркони же сразу понял всю выгоду сделанных изобретений, и в 1912 г. его компания приобрела патент Лоджа. Интрига заключается в том, что в этот промежуток времени между 1895 и 1897 гг., а именно 2 июня 1896 г. Гульельмо Маркони подал заявку на «усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппаратуре для этого» и получил Британский патент, первый в области радио, а 2 сентября Маркони провел первую публичную демонстрацию своего изобретения, добившись передачи радиограмм на расстояние 3 км.

Национальная гордость итальянцев, англичан и русских не позволяет поставить окончательную точку в этом вопросе: в СССР был официально утвержден день Радио, связанный с открытием А.С. Попова, о Маркони упоминалось лишь в контексте дальнейшего коммерческого использования радио; на Западе, наоборот, приоритет безоговорочно отдается Маркони, о Попове часто даже и не упоминают, хотя в радиоустройствах Маркони использовались детали, очень похожие на отдельные части радиоприемника Попова.

Но, по большому счету, так ли это важно? Допустим, что Маркони первым передал радиограмму. Умаляет ли это заслуги Попова? Отнюдь нет. Патент, полученный Поповым, был первым в своем роде, хотя в нем были применены методы, использованные ранее другими экспериментаторами (в первую очередь, Тесла), и использованы инструменты, похожие на те, которые ранее демонстрировали другие (в частности, О. Лодж и Э. Бранли).

А.С. Попов вошел бы в историю науки даже в том случае, если бы не изобрел радиоприемника. Им было сделано еще немало интересных изобретений: прибор для регистрации электромагнитных колебаний в атмосфере – «грозоотметчик»; летом 1901 г. он получил русскую привилегию (российский аналог патента) № 6066, группа XI, с приоритетом 14 июля 1899 г. на новый, линейно-амплитудный тип «телеграфного приемника депеш, посылаемых с помощью какого-либо источника электромагнитных волн по системе Морзе». Это позволило в дальнейшем наладить выпуск телефонных приемников.

А.С. Попов занимался опытами с радием, исследованием затухающих электрических колебаний и т. п. Можно сказать, что он был выдающимся ученым-инженером, но не был бизнесменом-ученым, который умеет извлечь максимальную прибыль из своих изобретений, как это делали Эдисон, Маркони или Томсон.

Долгие годы в произведениях художественной литературы, в фильмах (не только в советских, но и, не в меньшей степени, западных) ученый-предприниматель преподносился как однозначно отрицательный герой. На самом деле именно ученые-предприниматели наиболее энергично и последовательно внедряют инновации, меняя нашу жизнь и двигая научно-технический прогресс. При этом получение больших денег является приятным следствием титанических усилий по организации цепочки от изобретения до массового производства и всеобщего использования.

Сочетание личностных качеств, требуемых для такой деятельности, является достаточно редким: огромная работоспособность, коммуникативные, организаторские качества должны сочетаться не только с талантом ученого, знаниями инженера, но и с прагматизмом, хваткой предпринимателя. Всеми этими качествами в полной мере обладал Гульельмо Маркони. Родившись в Италии, в 22 года Маркони переехал в Англию, главным образом потому, что там ему были созданы более благоприятные условия для изобретательской и коммерческой деятельности.

В Великобритании ему удалось заинтересовать своими приборами Почтовое ведомство и Адмиралтейство, что само по себе является значительным достижением. После получения патента в 1896 г. ему удается добиться внимания деловых кругов Великобритании и убедить их в перспективах радиотелеграфии, что продемонстрировало незаурядные предпринимательские способности юного итальянца. В результате в 1897 г. ему удается привлечь значительные инвестиции в 50 тысяч фунтов и организовать достаточно крупное акционерное общество («Маркони Кº»). Имея очень приличные материальные ресурсы, Маркони удается собрать команду видных ученых и инженеров, которая в этом же году строит радиостанцию на острове Уайт.

В 1898 г. Маркони открывает первый радиозавод в Англии, обеспечивший работой полсотни человек.

В 1901 г. им была осуществлена радиосвязь через Атлантический океан. Многими этот факт подвергается сомнению, они считают, что Маркони мог выдать желаемое за действительное. Но именно эта дата знаменует открытие эпохи трансконтинентальной радиосвязи. Тем более, что Маркони все же удалось установить эту связь надежно, но несколько позже заявляемой им даты. Параллельно Маркони ведет судебную тяжбу, пытаясь оспорить решение Патентного ведомства США о вручении Никола Тесла патента на изобретение радио.

Влияние финансовых покровителей Маркони (один из которых – Томас Эдисон) и нежелание правительства США отчислять Никола Тесла большие деньги, привели к тому, что было принято решение «забрать» патент у Тесла и «перевручить» его Маркони. Так Маркони стал изобретателем радио и в Америке.

В 1905 г. Маркони патентует направленную передачу сигналов. В 1907 г. ему удается наладить первую трансатлантическую службу беспроволочной связи.

В результате фирма Маркони стала практически мировым монополистом в области поставки средств для радиосвязи. Неудивительно, что Маркони стал весьма богатым человеком, а его заслуги в развитии радиотехники и в распространении радио как средства связи были оценены Нобелевской премией в 1909 г. (вместе с Карлом Фердинандом Брауном).

В 1943 г. многострадальный патент № 645576 на изобретение радио Верховным судом США был отобран у Маркони, а Никола Тесла уже после своей смерти снова стал изобретателем радио в Америке. Историческая справедливость восторжествовала, а правительство США избежало выплат по использованию патента и тому, и другому.

Если проводить параллели жизни и деятельности Маркони и Попова, то они расходятся уже с 1897 г., когда на свое предложение осуществить связь через Ла-Манш, в почтовом ведомстве Великобритании Маркони получил ответ: «Не останавливаться ни перед какими тратами на осуществление проекта мистера Маркони». Попову же в аналогичном ведомстве Петербурга написали прямо противоположное: «На подобные химеры денег не отпускать».

Какие-то средства были выделены только после того, как радиотелеграф Попова помог снять с камней броненосец «Генерал-адмирал Апраксин». Но время было безнадежно упущено. Позже, когда пришлось все корабли русского флота оборудовать радиотелеграфом, это оборудование было закуплено конечно же у фирмы «Маркони К°» за весьма внушительные деньги.

Некоторое время спустя была создана компания «Бритиш Маркони», которая устанавливала радиосвязь между береговыми радиостанциями и судами в море. Компания, имея практически монополию, вплоть до 1983 г. скупала внутреннее оборудование других компаний (например, американской ATT), и заставляла их просто отказываться от связи с кораблями, оборудованными аппаратурой типа «He-Маркони». Так бывшая инновация, стараясь сохранить позиции любым путем, превращается в тормоз. Но прогресс неумолим, и новая инновация сменяет старую, появляются новые герои.