Текст книги "100 знаменитых изобретений"

Трактор

Слово «трактор» произошло от латинского trakto — тащить, тянуть. В этом и состоит основное предназначение трактора – перевозить различные машины (орудия) или тащить их за собой. Кроме того, трактор должен передавать энергию прикрепленным к нему орудиям – плугам, сеялкам, культиваторам и уборочным машинам.

Первые колесные паровые тягачи появились в Англии и Франции в 30-е годы XIX века.

Важный элемент трактора – бесконечную гусеницу, повышающую проходимость машины, предложил русский изобретатель Ф. А. Блинов.

Это был «особого устройства вагон с бесконечными рельсами» для перевозки грузов по шоссе и проселочным дорогам. В вагоне Блинова желобчатые рельсы составлялись из двух рядов железных звеньев, нижний ряд которых заменял шпалы. Блинову удалось построить свой трактор («самоход»), и в 1888 г. эта машина прошла по улицам г. Балакова (в нынешней Саратовской области). Машина Блинова применения на практике не получила. В том же 1888 г. была запатентована конструкция парового гусеничного трактора в США. Ученик Блинова, Я. В. Мамин, в 1893–1895 гг. создал самоходную колесную тележку с двигателем внутреннего сгорания, работавшем на нефти, – прообраз современного колесного трактора. В дальнейшем Мамин организовал в России производство более совершенных тракторов (оборудованных двигателем с воспламенением от сжатия).

Условия для развития современного типа трактора сложились лишь в начале XX в. с развитием двигателей внутреннего сгорания и накоплением некоторого опыта их эксплуатации на автомобилях. Тогда в США на заводах компаний «Хорнсби», «Ломбард», «Харт-Парр» было освоено производство тракторов с двигателями внутреннего сгорания.

Тракторы первых выпусков были тяжелы, ненадежны в работе. Первые американские тракторы (1901 г.) весили до 10 т при мощности двигателя 22–45 л. с. Диаметр ведущих колес превышал 2,5 м. Первые колесные тракторы были крайне несовершенны, и к началу 1900-х годов крупная американская фирма «Холт» наладила производство тракторов с гусеничным движителем.

К началу Первой мировой войны был выработан практически применимый тип трактора, главным образом для пахоты и культивации с двигателями мощностью 120 л. с. С 1917 г. на заводах фирмы «Форд» было начато производство тракторов марки «Фордзон». С 20-х годов началось массовое производство тракторов и в некоторых странах Европы (например, гусеничные тракторы фирмы «Вандерер – Доннер» в Германии). В 1923 г. были построены первые тракторы в СССР. К 1928 г. было выпущено уже 1,3 тыс. тракторов, но массовое производство началось с 1930 г., когда были введены в эксплуатацию Волгоградский, а затем Харьковский, Челябинский и др. тракторные заводы.

После Первой мировой войны конструкция тракторов непрерывно совершенствовалась, приспосабливаясь к потребностям различных отраслей хозяйства. Изменялись конструктивные элементы двигателя, ходового аппарата, подвески остова трактора и т. д. Были созданы специальные типы тракторов. В 1924 г. в США появились пропашные тракторы, расширившие сферу механизации сельского хозяйства. В 1932 г. появились сельскохозяйственные тракторы с резиновыми (пневматическими) шинами, получившие особенно большое развитие после Второй мировой войны.

Все более специализируясь, тракторы по своей конструкции отходили от автомобиля, хотя колесные тракторы и до настоящего времени имеют с ним много общего, отличаясь лишь добавочной передачей, снижающей скорость и повышающей крутящий момент на ведущих колесах.

Снабжение тракторов механическим, а затем, с 1937 года, и гидравлическим подъемником создало предпосылки для применения так называемых навесных машин и орудий (взамен прицепных), ныне широко распространенных. Толчок для применения навесных машин был дан введением трехточечной гидравлической навесной системы, о которой в США в 1943 г. на международной конференции по продовольствию впервые сообщил конструктор Г. Фергюсон. В связи с этим в тракторостроении в послевоенные годы сложилось новое направление, получившее наиболее широкое развитие в переходе к навесным машинам.

Навесные машины отличаются от прицепных тем, что прицепные машины трактор буксирует, а навесные – несет на себе. Навесные орудия становятся как бы составной частью тракторов. Это позволяет использовать мощность тракторов не только для перемещения орудий по полю, но и для регулирования их работы благодаря гидравлической системе управления навесными орудиями. Гидравлический подъемник-автомат не только переводит навесное орудие в рабочее и транспортное положения, но и устанавливает его на нужную глубину обработки почвы и автоматически поддерживает ее. Автомат позволяет до предела упростить навесные орудия и уменьшить их вес. Навесные машины легче обычных прицепных. В настоящее время по своему назначению различают тракторы сельскохозяйственные (общего назначения, пропашные), транспортные (тягачи) и специальные – экскаваторы, бульдозеры, канавокопатели, погрузчики, трубоукладчики и т. п. По типу двигателя тракторы бывают тепловыми и электрическими, по типу движителя – гусеничными, колесными и реже колесно-гусеничными (полугусеничные). Для тракторной промышленности характерно преобладание выпуска колесных тракторов над гусеничными.

Помимо сельскохозяйственных тракторов общего назначения и пропашных в сельском хозяйстве применяются самоходные шасси. В самоходных шасси двигатель машины располагается на задней части рамы шасси или сбоку, а вся его передняя часть может быть использована для размещения навесных орудий для обработки почвы, культивации, уборки и т. п., а также для перевозки грузов, чем ликвидируется сезонность использования трактора. Во многих странах созданы и прицепные шасси – рама на колесах с коробкой передач, связанной с валом отбора мощности трактора.

Трансформатор

Слово «трансформатор» происходит от латинского transformo – преобразую.

Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения.

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, открытое английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 году. Суть этого явления заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводящем контуре, который находится в переменном магнитном поле или движется в постоянном магнитном поле. Электрический ток, вызванный этим полем, называется индукционным. Фарадей открыл это явление, пропуская ток от батареи через обмотки катушки. При этом наблюдалось возникновение тока в обмотках другой катушки, никак не связанной с первой.

В течение полувека, начиная с 30-х годов XIX в., когда было открыто явление электромагнитной индукции, и до середины 80-х годов XIX в., когда началось широкое применение электричества, трансформатор прошел путь от простейшей индукционной катушки до промышленного типа трансформатора однофазного тока, в начале 90-х годов XIX в. – трансформатора трехфазного тока.

В 30–70-е годы XIX в. происходило зарождение и развитие принципов трансформации, создание индукционных приборов, преобразующих импульсы постоянного тока одного напряжения в импульсы тока другого напряжения. В конце 40-х годов XIX в. большое распространение получили индукционные катушки Б. С. Якоби, Г. Д. Румкорфа и других изобретателей. Позднее эти катушки сыграли существенную роль в качестве аппаратов системы зажигания двигателей внутреннего сгорания. Подобные устройства нельзя назвать трансформаторами в современном смысле этого слова.

По мере расширения области применения электричества и роста числа потребителей электрической энергии возникла необходимость в совершенствовании методов трансформации, без которых невозможно было осуществлять распределение электрической энергии.

Изобретателем трансформатора был русский электротехник П. Н. Яблочков. В 1876 г. он применил трансформатор однофазного тока с разомкнутой магнитной системой для дробления электрической энергии в цепях электрического освещения.

Трансформатор состоит из первичной обмотки и одной или нескольких вторичных обмоток. Они намотаны на каркас изолированным проводом и размещены на сердечнике. Сердечник состоит из тонких пластин, изготовленных из специальной стали. В первом трансформаторе Яблочкова сердечник был разомкнут.

Переменный ток, текущий по первичной обмотке, создает вокруг нее и в сердечнике переменное магнитное поле, пересекающее витки вторичной обмотки. Тем самым во вторичной обмотке возбуждается переменная ЭДС. При подключении к выводам вторичной обмотки какого-либо устройства, потребляющего электрический ток, в замкнутой цепи появится электрический ток.

Если в первичной и вторичной катушках число витков одинаково, то во вторичной катушке наведется напряжение, равное тому, которое подведено к первичной. В трансформаторе, повышающем напряжение, количество витков во вторичной обмотке выше, чем в первичной. В понижающем трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка содержит меньше витков, чем первичная. Отношение напряжения на первичной обмотке к напряжению на вторичной обмотке называется коэффициентом трансформации данного трансформатора.

В 1882 г. во время Московской промышленной выставки лаборант Московского университета И. Ф. Усагин продемонстрировал устройство, показавшее, что предложенный П. Н. Яблочковым способ распределения энергии при помощи индукционных катушек может быть вполне успешно применен для одновременного питания любого типа приемников электрического тока. Усагин воспользовался индукционными катушками с одинаковыми первичной и вторичной обмотками. Первичные обмотки семи катушек включались последовательно в цепь однофазного переменного тока, а в каждую вторичную обмотку включались разные приемники тока: электродвигатель, проволочная нагревательная спираль, дуговая лампа с регулятором, электрические свечи Яблочкова. Все эти приемники могли работать одновременно, не мешая друг другу.

Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутой магнитной системой для целей распределения электроэнергии явилась «система распределения электричества для производства света и двигательной силы», запатентованная во Франции в 1882 г. Голяром и Гиббсом. Трансформаторы Голяра и Гиббса предназначались не только для дробления энергии, но и для преобразования напряжения, т. е. имели коэффициент трансформации, отличный от 1. На деревянной подставке укреплялось некоторое число вертикальных индукционных катушек, первичные обмотки которых соединялись последовательно. Вторичные обмотки каждой катушки были секционированы, и каждая секция имела пару выводов для присоединения приемников тока, которые действовали независимо.

Последовательно соединенные индукционные катушки создавали определенное индуктивное сопротивление, величина которого могла регулироваться путем перемещения сердечников катушек.

Трансформаторы Голяра и Гиббса впервые демонстрировались в апреле 1883 г. на осветительной установке в Вестминстерском аквариуме (Лондон). Первичные обмотки двух трансформаторов были соединены последовательно. Вторичная обмотка одного трансформатора питала 26 ламп накаливания (ток 40 ампер), а три вторичные обмотки другого – соответственно пять ламп накаливания, свечу Яблочкова и электродвигатель.

Схема последовательного включения обмоток трансформаторов возникла исторически в связи с применением дуговых ламп. В системах дугового освещения, как правило, регулировалась величина тока в цепи последовательно включенных потребителей. В случае применения ламп накаливания и других видов приемников тока, для которых важным является поддержание постоянной величины напряжения, более целесообразным стало их параллельное включение. Но если для последовательного соединения элементов электрической цепи весьма подходящими были трансформаторы с разомкнутой магнитной цепью, которые представляли собой умеренное индуктивное сопротивление, то при параллельном включении приемников становилось технически не оправданным применение трансформаторов с разомкнутыми сердечниками. Поэтому в 80-е годы XIX в. появились конструкции трансформаторов с замкнутой магнитной системой, обладавших значительно лучшими характеристиками (меньшая величина намагничивающего тока, а следовательно, меньшие потери и более высокий коэффициент мощности). При последовательном соединении элементов электрической цепи было нецелесообразно применять трансформаторы с замкнутой магнитной системой, обладающие очень большой индуктивностью.

В 80–90-х годах XIX в. был разработан промышленный тип трансформаторов с замкнутой магнитной системой, а также предложено параллельное включение трансформаторов в питающую сеть. Первая конструкция трансформатора с замкнутой магнитной системой была создана в Англии в 1884 г. братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами. Сердечник этого трансформатора был набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, катушки высшего и низшего напряжений.

Параллельное включение трансформаторов было впервые предложено и обосновано венгерским электротехником М. Дери, который получил патент на этот способ соединений в 1885 г. (независимо от него такое же предложение было сделано в Англии С. Ц. Ферранти и в Америке Кеннеди). Только после этого трансформаторы с замкнутыми сердечниками получили распространение.

Практическая реализация прогрессивных идей о передаче электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания промышленного типа трансформатора с замкнутой магнитной системой, имевшего достаточно хорошие эксплуатационные показатели. Такой трансформатор в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) был разработан в 1885 г. венгерскими электротехниками О. Блати, М. Дери и К. Циперновским. В заявке они отметили важное значение замкнутого шихтованного магнитного сердечника, в особенности для мощных силовых трансформаторов.

Важное значение для расширения практического применения трансформаторов и улучшения надежности их работы имело введение в конце 80-х годов XIX в. (Д. Свинберн) масляного охлаждения трансформаторов большой мощности. Первые такие трансформаторы помещались в керамический сосуд, заполненный керосином или маслом для уменьшения нагрева сердечников и обмоток.

Система трехфазного тока в первые годы своего существования требовала решения проблемы передачи энергии на большие расстояния. Но электропередача выгодна при высоком напряжении, для получения которого в случае переменного тока необходим трансформатор. В трехфазной системе не было принципиальных затруднений для трансформирования энергии, но были нужны три однофазных трансформатора вместо одного при однофазной системе. Чтобы избежать увеличения количества дорогих машин, нужно было найти принципиально новое решение.

В 1889 г. это удалось сделать М. О. Доливо-Добровольскому. Он изобрел трехфазный трансформатор. Вначале это был трансформатор с радиальным расположением сердечников, его конструкция еще напоминала машину с выступающими полюсами, в которой устранен воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни. Затем было предложено несколько конструкций так называемых «призматических» трансформаторов, в которых удавалось получить более компактную форму магнитопровода. Наконец в октябре 1891 г. была сделана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. В принципе эта конструкция сохранилась до настоящего времени.

Целям электропередачи отвечали также работы, связанные с изучением схем трехфазной цепи. В 80–90-х годах XIX в. значительное место занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную асимметрию в систему. Кроме того, иногда было необходимо иметь в своем распоряжении не одно, а два напряжения: одно – для осветительной нагрузки, а другое, повышенное – для силовой.

Для того чтобы иметь возможность регулировать напряжение в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), Доливо-Добровольский разработал в 1890 г. четырехпроводную схему трехфазной цепи, или, иначе, систему трехфазного тока с нулевым проводом. Он же указал, что вместо нейтрального или нулевого провода можно использовать землю. Доливо-Добровольский обосновал свои предложения доказательством того, что четырехпроводная трехфазная система позволяет допускать определенную асимметрию нагрузки; при этом напряжение на зажимах каждой фазы будет оставаться неизменным. Для регулирования напряжения в отдельных фазах четырехпроводной системы Доливо-Добровольский предложил использовать изобретенный им трехфазный автотрансформатор.

В настоящее время существуют много типов трансформаторов, применяющихся в различных областях техники.

Основной вид трансформаторов – трансформаторы силовые. Среди них больше всего двухобмоточных. Они устанавливаются на линиях электропередачи. Такие трансформаторы повышают напряжение тока, вырабатываемого электростанциями с 10–15 тысяч вольт до 220–750 тысяч вольт. В местах потребления электроэнергии при помощи силовых трансформаторов высокое напряжение преобразуют в низкое (220–380 вольт). Эти трансформаторы имеют КПД 0,98–0,99.

Кроме силовых существуют трансформаторы, предназначенные для измерения больших напряжений и токов: измерительные трансформаторы, трансформаторы напряжения, трансформаторы тока, а также снижения уровня помех проводной связи, преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсное и многие другие.

Ускорители заряженных частиц

Для исследования атомного ядра его обстреливали или облучали элементарными частицами, наблюдая за последствиями. Сначала достаточно было и энергии, возникающей при естественном распаде радиоактивных элементов.

Вскоре этой энергии оказалось недостаточно, и дальнейшее развитие ядерной физики потребовало создания ускорителей заряженных частиц – «ядерной артиллерии», – позволяющих получать элементарные частицы – электроны, протоны, ионы с высокими энергиями в миллиарды электрон-вольт (МэВ) и выше. Создание таких установок позволило глубже изучить природу и взаимное превращение таких частиц. Кроме того, ускорители дают возможность получать новые радиоактивные изотопы различных элементов.

В ускорителях обеспечивается ускорение заряженных частиц до большой величины, что позволяет преодолеть внутренние силы, связывающие части атома в одно целое. Так раскрываются детали строения ядра.

Передача энергии частицам происходит благодаря взаимодействию электрического поля с зарядами частицы с использованием ее электрических и магнитных свойств. Это основной принцип действия ускорителей.

В первых ускорителях, построенных в 20–30-годы прошлого века заряженные частицы ускорялись за счет разности потенциалов электрического поля. Представителем этого типа был электростатический ускоритель Ван-де-Граафа, построенный в 1931 г. Он сочетал электростатическую машину и вакуумную трубку.

В 1932 г. сотрудники лаборатории Э. Резерфорда Дж. Кокрофт и Э. Уолтон разработали каскадный генератор, работавший по принципу умножения напряжений. Обычно он состоит из 4–10 каскадов. Схемы включения с использованием выпрямителей и конденсаторов обеспечивают увеличение напряжения в каждом каскаде на величину удвоенного амплитудного напряжения высоковольтного трансформатора, подключенного к первому каскаду. Каскадные генераторы позволяют получить ионы с энергией до 4-х МэВ и выше.

И ускоритель Ван-де-Граафа, и каскадный генератор относятся к линейным ускорителям. Они представляют собой длинную (до 100 м и выше) трубку-камеру, внутри которой поддерживается вакуум. По всей длине камеры размещено большое количество металлических трубок – электродов. Генератор высокой частоты подает на электроды переменное напряжение таким образом, что соседние электроды имеют противоположный заряд. Из электронной «пушки» в камеру выстреливается пучок электронов и под действием положительного потенциала первого электрода начинает ускоряться. В этот момент меняется фаза питающего напряжения и с ней изменяется заряд электрода. Тем самым он отталкивает от себя электроды, которые притягиваются следующим, положительным электродом. По мере движения вперед электроны разгоняются, достигая к концу камеры околосветовой скорости и приобретая энергию в несколько сотен электрон-вольт. Пролетая через специальное окно, пучок ускоренных электронов сталкивается с атомами.

Получение протонов и электронов более высоких энергий стало возможным в результате применения резонансного метода ускорения в циклотронах, появившихся в начале 30-х годов. Циклотрон является простейшим резонансным циклическим ускорителем. Его основная часть – мощный электромагнит, между полюсами которого помещена плоская цилиндрическая камера. Она состоит из двух полукруглых металлических коробок – дуантов, разделенных небольшим зазором. Дуанты служат электродами и соединены с полюсами генератора переменного напряжения. В центре камеры находится источник заряженных частиц. Вылетая из него, частица притягивается к электроду с противоположным зарядом. Внутри электрода электрическое поле отсутствует, поэтому частица летит в нем по инерции. Под влиянием магнитного поля, чьи силовые линии перпендикулярны плоскости траектории, частица описывает полуокружность и подлетает к зазору между электродами. За это время электроды поменяли заряд, и один электрод выталкивает частицу, а другой втягивает ее в себя. Переходя из дуанта в дуант, частица набирает скорость, описывая расширяющуюся спираль. При помощи специальных магнитов частицы выводятся из камеры на мишени экспериментаторов.

С приближением скорости частиц в циклотроне к световой, они становятся тяжелее и постепенно отстают от изменения знака напряжения на дуантах, не попадая в такт электрическим силам, и перестают ускоряться. Максимальная энергия, сообщаемая частицам в циклотроне, составляет 25–30 МэВ.

В 1940 г. американский физик Д. Керст создал индукционный ускоритель электронов (бетатрон), идею которого выдвинули в 1920-е годы американец Дж. Слепян и швейцарец Р. Видероэ. Это циклический ускоритель электронов нерезонансного типа. Ускорение в нем осуществляется вихревым индукционным электрическим полем, которое создается переменным магнитным полем, проходящим через сердечник магнита. Электроны в бетатроне ускоряются до энергии 100–300 МэВ. Попадая на мишень из тяжелого металла, они теряют свою энергию, и в результате возникает бетатронное гамма-излучение с высокой проникающей способностью, что используется, например, для дефектоскопии металлов.

Практически все современные мощные ускорительные установки основаны на так называемом принципе автофазировки (автоматической устойчивости фазы частицы), открытом в 1944–1945 гг. почти одновременно советским ученым В. Векслером в американским ученым Э. Макмилланом. Он позволил существенно увеличить энергию ускоренных частиц.

Принцип автофазировки лег в основу конструирования циклических резонансных ускорителей с переменной частотой – фазотронов и синхрофазотронов.

В фазотроне частицы двигаются от источника (газового разряда), находящегося в центре, по спирали к периферии вакуумной камеры. Магнитное поле в нем постоянно, а частота ускоряющегося электрического поля меняется. Изменение частоты ускоряющего поля осуществляется с помощью конденсатора переменной емкости.

В синхрофазотрон частицы (протоны) вводятся извне из ускорителя меньшей энергии. В синхрофазотроне изменяется и величина магнитного поля, и частота ускоряющего электрического поля. Частицы в нем двигаются по круговой траектории. Постоянство радиуса орбиты позволяет уменьшить ширину кольца магнита, что значительно удешевляет установку. Из всех современных ускорителей синхрофазотроны позволяют получить самые высокие энергии частиц.

И фазотрон, и синхрофазотрон являются резонансными ускорителями, поскольку движение частиц в них происходит в резонанс (синхронно) с изменением ускоряющего поля.

В 1955 г. исследования, проведенные на синхрофазотроне, установленном в Калифорнийском университете, привели к открытию новой элементарной частицы атомного ядра – антипротона (отрицательно заряженный протон). Здесь же в следующем году был обнаружен антинейтрон.

В 1967 г. вступил в строй синхрофазотрон Института физики высоких энергий под Серпуховом. Диаметр его ускорительного кольца достигал 500 м, максимальная энергия заряженных частиц достигала 76 гигаэлектрон-вольт (ГэВ).

В 1972 г. в Батавии (США) был построен ускоритель с диаметром установки 2000 м и энергией частиц 500 ГэВ.

Пучки заряженных частиц, испускаемых ускорителями, используются не только в физике, но и в химии, биофизике, геофизике. В металлургии они применяются для выявления дефектов деталей, в деревообрабатывающей промышленности – для быстрой высококачественной обработки изделий, в пищевой промышленности – для стерилизации продуктов, в медицине – для лучевой терапии и бескровной хирургии.