Електротехніка (від електро... і техніка ) , галузь науки і техніки, що зв'язана із застосуванням електричних і магнітних явищ для перетворення енергії, здобуття і зміни хімічного складу речовин, виробництва і обробки матеріалів, передачі інформації, охоплює питання здобуття, перетворення і використання електричної енергії в практичній діяльності людини.
Історична довідка. Виникненню Е. передував тривалий період накопичення знань про електриці і магнетизмі, протягом якого були зроблені лише окремі спроби вживання електрики в медицині а також для передачі сигналів. У 17—18 вв.(століття) дослідженню природи електричних явищ були присвячені праці М. Ст Ломоносова . Т. Ст Ріхмана, Би. Франкліна, Ш. О. Кулона, П. Дівіша і ін. Для становлення Е. вирішальне значення мало появу першого джерела безперервного струму — вольтова стовпа ( А . Вольта, 1800), а потім досконаліших гальванічних елементів, що дозволило в 1-ій третині 19 ст провести багаточисельні дослідження хімічних, теплових світлових і магнітних явищ, що викликаються електричним струмом (праці Ст Ст Петрова, X. До. Ерстеда, Д. Ф. Араго, М. Фарадея, Дж. Генрі, А. М. Ампера, Р. С. Ома і ін.). У цей період були закладені основи електродинаміки, відкритий найважливіший закон електричного ланцюга — Ома закон . Серед спроб практичного використання результатів цих досягнень найбільш значними були роботи в телеграфії (електромагнітний телеграф П. Л. Шиллінга, 1832), у військовій справі (гальваноударниє морські міни Б. С. Якобі, 1840-і рр.), в області електричних вимірів (індикатор електричного струму, т.з. мультиплікатор австрійського ученого І. До. Швейгера, 1820). Відкриття електромагнітній індукції (1831—32) зумовило появу електричних машин — двигунів і генераторів. Оскільки всі перші споживачі електроенергії використовували постійний струм (як найбільш вивчений), перші електричні машини були постійного струму машинами . Історично електродвигуни стали створюватися раніше електромашинних генераторів, т. до. в 1-ій третині 19 ст гальванічні елементи як джерела струму до більшої або меншої міри задовольняли вимогам практики. Період вдосконалення конструкції електродвигуна — від лабораторних приладів, що демонстрували можливість перетворення електричної енергії в механічну (установка Фарадея 1821), до машин промислового типа — охоплює приблизно 50 років. У перших електродвигунах рухлива частина здійснювала зворотно-поступальний або гойдаючий рух, а момент на валу двигуна був пульсуючим (наприклад, в двигуні Генрі). Починаючи з середини 30-х рр. 19 ст стали будуватися двигуни з тим, що обертається якорем . Таким електродвигуном, що отримав практичне вживання, був двигун, розроблений Якобі (1834--38). Випробування цього двигуна, що приводив в рух «електричний бот», показало, з одного боку, принципову можливість його практичного вживання, а з іншої — необхідність створення економічнішого в порівнянні з гальванічними елементами джерела електроенергії. Таким джерелом став електромашинний генератор, прообразом якого була уніполярна машина Фарадея (1831). Першими практично придатними електромашинними генераторами були магнітоелектричні генератори, в яких магнітне поле створювалося постійними магнітами, а якорями служили масивні індуктивні котушки (Якобі, 1842). У 1851 німецький учений В. Зінстеден запропонувало замінити постійні магніти електромагнітами, котушки яких харчувалися від самостійних магнітоелектричних генераторів. Подальше вдосконалення конструкції електромашинного генератора пов'язано з використанням для збудження обмотки електромагніту струму самого генератора. Такі генератори з самозбудженням були предложени майже одночасно данським ученим С. Хиортом (1854), англійськими інженерами До. і С. Варлі (1867), Л. Йедліком, Ч. Уїтстоном, Е. Ст Сименсом . Промислове виробництво генераторів було почате в 1870 в Парижі після того, як З. Т. Грам вперше застосував в генераторі з самозбудженням кільцевий шихтованний якір, принципова конструкція якого була запропонована для електродвигуна в 1860 А. Пачинотті . Генератор Грама працював не лише в генераторному, але і в руховому режимі, що поклало початок практичному впровадженню принципу оборотності електричних машин (відкритому Е. X. Ленцем, 1832—38) і дозволило значно розширити область використання електричних машин. Подальше вдосконалення машин постійного струму йшло по шляху поліпшення їх конструктивних елементів — заміна кільцевого якоря барабанним (Ф. Хефнер-Альтенек, 1873), удосконалення шихтованних якорів (американський винахідник Х. Максим, 1880), введення компенсаційної обмотки (1884), додаткових полюсів (1885) і ін. До 80-м-коду рр. 19 ст електричні машини постійного струму придбали основні конструктивні межі сучасних машин. Їх вдосконаленню сприяло відкриття закону про напрям індукційних струмів (див. Лінь правило ), виявлення і дослідження протівоедс (Якобі, 1840) і реакції якоря (Ленц, 1847), розробка методів розрахунку електричних ланцюгів (Р. Р. Кирхгоф, 1847) і магнітних ланцюгів (англійський учений Дж. Гопкинсон, нач. 80-х рр.), вивчення магнітних властивостей заліза (А. Р. Столетов, 1871) і ін. До кінця 70-х рр. відносяться роботи Дж. До. Максвелла, рівняння (див. Максвелла рівняння ) , що сформулювало, що є основою сучасного учення про електромагнітному полі .
Поряд з електромашинними генераторами продовжували удосконалюватися хімічні джерела струму. Значним кроком в цьому напрямі був винахід свинцевого акумулятора (французький фізик Р. Планте, 1859). Вдосконалена конструкція цього акумулятора до 80-м-коду рр. вже мала всі основні елементи сучасних акумуляторів.
Створення надійних джерел струму зробило можливим задоволення збільшених потреб в електричній енергії для практичних цілей. Подальший розвиток Е. пов'язано з виникненням електротехнічній промисловості і масовим поширенням електричного освітлення, яке в 50—70-х рр. 19 ст замінило газове. Ідея вживання електричної енергії для освітлення була висловлена Петровим в 1802 після відкриття дуги електричної . Першими електричними джерелами світла були всілякі дугові вугільні лампи, серед яких найбільш дешевою і простою була «свічка Яблочкова» (П. Н. Яблочков, 1876). У 1870—75 А. Н. Лодигин розробив декілька типів ламп розжарювання, вдосконалених пізніше за Т. А. Едісоном і що набули переважного поширення до 90 м-коду рр. 19 ст Досягнення в створенні і вживанні електричних джерел світла зробили істотний вплив на становлення і розвиток светотехникі . З поширенням електричного освітлення зв'язано створення електроенергетичних систем. Вже по-перше освітлювальних пристроях Яблочкова були всі основні елементи енергосистем: первинний двигун, генератор, лінія електропередачі, трансформатор, приймач енергії.
Почало вживанню електроенергії для технологічних цілей поклали ще роботи Якобі (1838), що запропонував використовувати електричний струм для здобуття металевих копій і для нанесення металевих покриттів (див. Гальванотехніка ) .
Але розширення області практичного використання електричної енергії стало можливе лише в 70—80-і рр. 19 ст з вирішенням проблеми передачі електроенергії на відстань. У 1874 Ф. А. Піроцкий прийшов до виводу про економічну доцільності виробництва електроенергії в місцях, де є дешеві паливні або гідроенергетичні ресурси, з подальшою передачею її до споживача. У 1880—81 Д. А. Лачинов і М. Депре незалежно один від одного запропонували для зменшення втрат електроенергії в лінії електропередачі (ЛЕП) використовувати струм високої напруги. Перша лінія електропередачі на постійному струмі була побудована Депре в 1882 між містами Місбахом і Мюнхеном (довжина лінії 57 км., напруга в ній 1.5—2 кв ) . Проте спроби здійснити електропередачу на постійному струмі виявилися неефективними, т. до., з одного боку, технічні можливості здобуття постійного струму високої напруги були обмежені, а з іншою — було утруднено його вжиток. Тому поряд з використанням для передачі електроенергії постійного струму велися роботи по вживанню в тих же цілях однофазного змінного струму, напругу якого можна було змінювати (підвищувати і знижувати) за допомогою однофазного трансформатора. Створення промислового типа такого трансформатора (О. Блаті М. Дери, До. Циперновський, 1885, і ін.) по суті вирішило проблему передачі електроенергії. Проте широке поширення однофазного змінного струму в промисловості було неможливе через те, що однофазні електродвигуни не задовольняли вимогам промислового електроприводу, і тому вживання однофазного змінного струму обмежувалося лише установками електричного освітлення.
В 70—80-і рр. 19 ст електроенергію почали використовувати в технологічних процесах: при здобутті алюмінію, міді, цинку, високоякісних сталей: для різання і зварки металів; зміцнення деталей при термічній обробці і т. д. У 1878 Сименс створив промислову конструкцію електроплавильної печі. Методи дуговий електрозварювання були запропоновані Н. Н. Бенардосом (1885) і Н. Р. Славяновим (1891).
До кінця 70-х рр. відносяться також перші спроби використання електроенергії на транспорті, коли Піроцкий провів випробування вагону, на якому був встановлений електричний тяговий двигун. У 1879 Сименс побудував дослідну електричну дорогу в Берліні. У 80-і рр. трамвайні лінії були відкриті в багатьох містах Західної Європи, а потім в Америці (США). У Росії перший трамвай був пущений в Києві в 1892. У 90-і рр. електрична тяга була застосована і на підземних залізницях (у 1890 в Лондонському метрополітені, в 1896 — в Будапештському), а потім на магістральних залізницях.
В кінці 19 ст промислове використання електроенергії перетворилося на найважливішу комплексну техніко-економічну проблему — поряд з економічною електропередачею необхідно було мати електродвигун, що задовольняє вимогам електроприводу. Вирішення цієї проблеми стало можливим після створення багатофазних, зокрема трифазних, систем (див. Трифазний ланцюг ) змінного струму. Над цією проблемою працювали багато інженерів і учені (Н. Тесла, американський учений Ч. Бредлі, німецький інженер Ф. Хазельвандер і ін.), але комплексне рішення запропонував в кінці 80-х рр. М. О. Доліво-Добровольський, який розробив ряд промислових конструкцій трифазних асинхронних двигунів, трифазних трансформаторів, і в 1891 побудував трифазну лінію електропередачі Лауфен — Франкфурт (довжина лінії 170 км. ) .
Сучасний стан Е. Практичне вживання трифазних систем поклав початок сучасному етапу розвитку Е., який характеризується зростаючою електрифікацією промисловості, сільського господарства, транспорту, сфери побуту і ін. Збільшення вжитку електроенергії зумовило будівництво потужних електростанцій, електричних мереж, створення нових і розширення електроенергетичних систем, що діють. Будівництво потужних ЛЕП високої напруги привело до розробки всілякого високовольтною устаткування, електроізоляційних матеріалів, засобів техніки електровимірювання і преобразовательной і т. д., а також стимулювало поліпшення конструкцій електричних машин і апаратів, розробку методів аналізу процесів в ланцюгах змінного струму (роботи Ч. П. Штейнмеца і ін.). Вдосконалення електротехнічних пристроїв сприяло формуванню таких наукових дисциплін, як високої напруги техніки, теорія електричних ланцюгів, теорія електричних машин, електропривод і ін. Успіхи Е. зробили істотний вплив на розвиток радіотехніки і електроніки, телемеханіки і автоматики, а також обчислювальної техніки і кібернетики .
Одін з важливих розділів Е. — електромеханіка охоплює питання перетворення енергії, практичне вирішення яких на широкій науковій основі зажадало розробки спеціальних методів, пов'язаних з аналізом і описом процесів, що протікають саме в електротехнічних пристроях. Математичний опис таких процесів заснований на вирішенні рівнянь Максвелла. При цьому їх доповнюють рівняннями, що описують конкретний процес, або використовують варіаційні принципи механіки . Так, на основі можливих переміщень принципу розроблені різні формалізовані методи, серед яких найбільше практичне вживання при дослідженні процесів, що протікають в електричних системах, машинах і апаратах, знаходять методи: виключення рівнянь з періодичними коефіцієнтами для ланцюгів, що взаємно переміщаються; вибору найбільш доцільних систем узагальнених координат, аналізу перехідних процесів в електричних ланцюгах; визначення стійкості роботи нерегульованих і регульованих електричних машин, зв'язаних лініями електропередачі, і ін. Значний внесок у розвиток цих методів зробили А. А. Горев, П. С. Жданов, С. А. Лебедев, американський учений Р.Х. Парк, англійські учені О. Хевісайд, Г. Крон і ін. Їх праці лягли в основу математичної теорії електричних машин і відкрили можливість для вживання складного математичного апарату (тензорного числення, графів теорії, теорії матриць, операційного числення ) при вирішенні всіляких прикладних завдань, зокрема пов'язаних з вивченням складних електромеханічних систем, перехідних електромеханічних і електромагнітних процесів, Використання тензорного числення привело до появи такого прийому дослідження, як діакоптіка, при якому дані, що характеризують всю складну систему (наприклад, електричний ланцюг, що містить сотні і тисячі вузлів і гілок), можна отримувати, розглядаючи поведінку її окремих частин. Особливо ефективним стало вживання формалізованих методів у поєднанні з машинним проектуванням, що є одним з перспективних напрямів при розгляді сучасних завдань електромеханіки (зокрема, завдань синтезу, що вирішуються на основі алгебра логіки і теорії направлених графів). Формалізовані методи використовують при дослідженні багатьох проблемних завдань Е., наприклад таких, як вивчення нелінійних ланцюгів (а також що виникають в них гармонійних і субгармонійних коливань), що проводиться на основі методів аналізу і синтезу, розроблених раніше для лінійних ланцюгів і працях А. М. Ляпунова, Н. М. Крилова, Н. Н. Боголюбова, Л. І. Мандельштама, Н. Д. Папалекси, А. А. Андронова і ін. Важливий напрям сучасної Е. — розробка теоретичних і експериментальних методів досліджень, що грунтуються на подібності теорії, аналоговому і фізичному моделюванні, теорії планерування експерименту і що дозволяють вирішувати ряд принципових науково-технічних проблем Е. До них, в частковості, відносяться питання вдосконалення існуючих способів передачі електроенергії і розробка нових. У круг цих питань входять: дослідження процесів, що протікають в лініях електропередачі і преобразовательних пристроях; розробка і вдосконалення керованих елементів комутаційної апаратури; створення напівпровідникових перетворювачів, здатних ефективно працювати у поєднанні з електромеханічними пристроями (див. Преобразовательная техніка ), а також вивчення можливості використання гіперпровідників і надпровідників в лініях електропередачі.
Велике практичне значення має розробка способів оптимального управління складними електроенергетичними системами і підвищення їх надійності. Вирішення цих завдань грунтується на використанні методів моделювання і вірогідність теорії . Необхідна умова для підвищення стійкості і надійності роботи електроенергетичних систем — створення потужних симметрірующих пристроїв, статичних регулювальників і іншої апаратури, що забезпечує оптимальні режими роботи систем.
Важливі напрями Е. — створення складних електромагнітних полів із заданими властивостями, що вимагає розробки методів розрахунку і моделювання електричних і магнітних полів у феромагнітних, плазмових і інших нелінійних і анізотропних середовищах, а також дослідження і визначення оптимальної конфігурації систем (зокрема, надпровідних), що створюють сильні магнітні поля; розробка теорії управління електромагнітними полями і методів синтезу систем, що створюють ці поля.
Значний інтерес представляє вивчення імпульсних полів високої інтенсивності (див. Імпульсна техніка високих напрузі), в т.ч.(у тому числі) розробка методів аналізу взаємодії таких полів з речовиною, дослідження теплових і електродинамічних процесів в електроенергетичних пристроях граничних параметрів. Результати цих робіт знаходять вживання при створенні магнітопроводів для надпотужних трансформаторів електричних і реакторів електричних .
Теоретичні і експериментальні методи Е. знайшли свій розвиток у ряді ін. галузей науки і техніки, зв'язаних, зокрема, з дослідженням властивостей речовини (напівпровідників, плазми), з розробкою і створенням засобів ядерної і лазерної техніки, вивченням явищ мікросвіту і життєдіяльності живих організмів, освоєнням космічного простори.
Досягнення Е. використовуються у всіх сферах практичної діяльності людини — в промисловості, сільському господарстві, медицині, побуті і т. д. Електротехнічна промисловість випускає машини і апарати для виробництва, передачі, перетворення, розподілу і вжитку електроенергії; всіляку електротехнічну апаратуру і технологічне устаткування; прилади електровимірювань і засоби електрозв'язку: регулюючу, контролюючу і таку, що управляє апаратуру для систем автоматичного управління; електропобутові прилади і машини, медичне і наукове устаткування і ін.
Наукові установи і організації, періодичні видання. Велику роль в розвитку Е. грають міжнародні організації: Міжнародна електротехнічна комісія (МЕК), Міжнародна конференція з великих систем (СИГРЕ), Міжнародна конференція з вживання обчислювальних методів в електротехніці (ПІЇСИСИ), Міжнародна організація по електротехніці (Інтерелектро), Усесвітня електротехнічна конференція (ВЕлК). Активну участь в роботі цих організацій беруть радянські учені. У СРСР наукові дослідження по Е. проводяться у Всесоюзному електротехнічному інституті ним. В, І. Леніна (ВЕІ, Москва), Державному науково-дослідному енергетичному інституті ним. Г. М. Кржіжановського (ЕНІН, Москва), Всесоюзному НДІ(науково-дослідний інститут) електромеханіки (ВНІЇЕМ, Москва), Всесоюзному НДІ(науково-дослідний інститут) електроприводу (ВНІЇЕ, Москва), Всесоюзному НДІ(науково-дослідний інститут) джерел струму (ВНІЇТ, Москва), Московському енергетичному інституті (МЕІ), Ленінградському електротехнічному інституті (ЛЕТІ), у Всесоюзному НДІ(науково-дослідний інститут) електромашинобудування (Ленінград), НДІ(науково-дослідний інститут) постійного струму (НІЇПТ, Ленінград), а також в багатьох наукових центрах інших міст Радянського Союзу.
Питання Е. освітлюють на сторінках багаточисельних періодичних видань. У СРСР видаються загальносоюзні журнали «Електрика », «Електротехніка », «Електричні станції » і др.; за кордоном найбільш відомі «EEI Bulletin» (N. Y., з 1933), «Energi International» (S. F., з 1963), «Revue de l’energie» (P., з 1949), «Electrical Review» (L., з 1872).
Літ.: Основи електротехніки, під ред. До. А. Круга, М. — Л., 1952; Крон Р., Вживання тензорного аналізу в електротехніці, пер, з англ.(англійський), М-код — Л., 1955; Історія енергетичної техніки СРСР. т. 1—2, М. — Л., 1957; Історія енергетичної техніки, 2 видавництва, М. — Л., 1960; Уайт Д., Вудсон Р., Електромеханічне перетворення енергії, пер.(переведення) з англ.(англійський), М. — Л., 1964; Поліванов До. М., Теоретичні основи електротехніки, 2 видавництва, ч. 1, 3, М., 1972—75; Жуховіцкий Би. Я., Негневіцкий І. Б., Теоретичні основи електротехніки, ч. 2. М. — Л., 1965; Сешу С., Рід. М. Би., Лінійні графи і електричні ланцюги, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1971; Мірошників Н. А., матричний метод аналізу електричних ланцюгів, 2 видавництва, М., 1972; Нейман Л. Р., Демірчян До. С., Теоретичні основи електротехніки, 2 видавництва, т. 1—2. Л., 1975; Стеклов Ст Ю., В. І. Ленін і електрифікація, 2 видавництва, М., 1975; Веселовський О. Н., Шнейберг Я. А., Енергетична техніка і її розвиток, М., 1976; Енергетика СРСР в 1976—80 рр., під ред. А. М. Некрасова, М. Р. Первухина, М., 1977.
