Politechnika łÓdzka

Elektrotechnika z Laboratorium Podstaw Elektrotechniki
PE1 – OBWODY PRĄDU STAŁEGO – mgr inż. Marek Berliński

PODSTAWY ELEKTROTECHNIKI Cz. 1 PRĄD STAŁY

Łódź 2022

1.Historia rozwoju elektrotechniki, odkrycie i zastosowanie prądu stałego DC¹.

Rozwój cywilizacyjny człowieka na przestrzeni dziejów stawiał go przed wieloma wyzwaniami, konieczność radzenia sobie w różnych sytuacjach skłaniała do bezustannego rozwoju. Z biegiem czasu ewolucja pozwalała zapanować nad planetą, a wyprostowana postawa pociągnęła za sobą zmiany genetyczne – poczynając od sięgania po owoce z drzew, poprzez uprawę ziemi, hodowlę bydła, czy wznoszenie budowli, aż do naszych współczesnych czasów – technologii eksploracji kosmosu.

Troska o byt inspirowały ludzkość do poszukiwania sposobu wykorzystania Sil Natury – siły wiatru, strumieni rzek, ognia czy ciepła słońca. Jednak ludzkość nie potrafiła wtedy zrozumieć wielu zjawisk z tym związanych. W odległych czasach człowiek zdobywał pożywienie ucząc się uprawy roli, korzystając początkowo z kamienia i drewna, zastanawiał się nad dalszym wykorzystaniem dostępnych mu środków, bezustannie gromadząc wiedzę prowadzącą dalej do jej wykorzystania. Zmiany w rozwoju wiedzy ludzkości następowały więc powoli, na przestrzeni wielu tysięcy lat, a ich wynik końcowy możemy jeszcze dzisiaj stale doskonalić.

Stopniowo, ludzkość korzystając z Darów Ziemi i Natury spostrzegała, że aby osiągnąć dany cel, niezbędny jest poprzedzający go wcześniej proces, np. – aby uzyskać mąkę, potrzebne jest zmielenie ziaren uprawianych zbóż. Złoto i srebro pochodzą z rudy i by stały się czystym kruszcem – muszą być uprzednio odpowiednio otrzymane oraz przygotowane. W ten sposób zdobywano różne umiejętności, jednak bez wyciągania wniosków, prowadzących do rozumienia sposobu w jaki do niego dochodzi. Ludzkość próbowała więc poznać odpowiedz na pytanie – jakie Siły Natury rządzą tymi sposobami które człowiek posiadł?

Podejmowana obserwacja sprzyjała rozwojowi i powstawaniu kolejnym próbom eksperymentu, ten zaś prowadził do stawiania hipotez oraz uzyskiwaniu odpowiedzi do wcześniej postawionych pytań. Tym sposobem zaczęła się rozwijać nauka.

Człowiek zawędrował wszystkie skraje ziemi i utworzył państwa. Skutkiem ekspansji populacji nastąpił rozwój rolnictwa, myślistwa czy rzemiosł. Ludzkość potrafiła obrabiać kamień i drewno, zbierać plony z pół, wytwarzać przedmioty codziennego użytku z metalu. Pojawiały się różne wynalazki i towary wymieniane na inne, brąz będący stopem cyny i miedzi stał się siłą pieniądza tamtych czasów. Zaczęło przybywać i rozwijać się wiele nowych dziedzin życia i dyscyplin wiedzy – jak filozofia, matematyka, astronomia, czy alchemia. Wkrótce też okazało się, że im liczniejsza jest cywilizacja, tym większe są również jej potrzeby. Rozrost populacji ludzkiej nie uchronił jej bowiem przed koniecznością zaspokajania zmieniających się jej potrzeb.

Różne napotykane wydarzenia skłaniały człowieka do wykorzystywania tego, co płynęło z podejmowanych obserwacji i inspirowało do stosowania pomysłów. Najsilniejszy wpływ wywierała jednak Energia Przyrody.

Już człowiek czasów prehistorycznych zdawał sobie sprawę że to Natura włada Energią, więc pragnął ją posiąść i nią władać nie zdając sobie sprawy z tego czym ona jest. Wiemy z mitologii, że sądził on – że jeśli wydrze bogom tę siłę, wówczas sam się nim stanie... Taką siłą, był pierwotnie ogień. Sądzono więc, że pochodził on właśnie od bogów, a ten który go im wydarł – Prometeusz, został za swój czyn ukarany.

Pierwsze sposoby pozyskiwania ognia człowiek upatrywał w piorunach, dzisiaj wiemy że w skutkach przez nie wywoływanych. Krótkotrwałe występowanie wyładowań elektrycznych nie sprzyjało przybliżeniu istoty czym one są, skłaniały jednak człowieka do wykorzystania tego co widzi i o czym myśli... człowiek myślał więc, jak wykorzystać siłę pioruna do pracy użytecznej, lecz jak nim najpierw zawładnąć?...

Ogień był więc źródłem ciepła, nieujarzmiony zaś stawał się żywiołem. Pozyskanie źródła ognia i sztuka jego wzniecania stała się pierwszym ujarzmionym źródłem energii – źródłem energii cieplnej. Utrzymanie płomienia związane było z towarzyszącą temu zjawisku kulturą społeczną czy organizacją, lub też kultem.

Miedzy energią użyteczną a energią żywiołu była ogromna różnica. Pierwotnie – regulacja nadmiaru czegoś była regulowana czynnikiem odwrotnym – ogień był niwelowany wodą, płomieniowi – przeciwstawiano strumień wody. Wiedziano bowiem, że ocean posiada cechy, których woda strumienia nie posiada, choć jest to (prawie) ta sama woda. To skłaniało ludzkość do wykorzystania energii wody, do której ujarzmienia zastosowano napęd, nazywany dziś turbiną wodną.

Koło młyńskie znane było w czasach prekolumbijskich i służyło do zamiany siły strumienia rzeki, czy też spadającej z góry wody do uzyskania napędu mechanicznego. Im większa była różnica poziomów – tym uzyskiwana siła z takiego koła była większa. Dzięki temu poznano energię potencjalną, oraz energię kinetyczną. W czasach Imperium Rzymskiego siłę uciągu turbiny wodnej – mierzono zaprzęgową liczbą koni przeciwdziałającą tej sile, dzięki czemu dziś zawdzięczamy jednostkę nazywaną koniem mechanicznym.

Różne przekazy historyczne świadczą o powszechnym wykorzystywaniu zwierząt domowych do uzyskiwania napędu. Zwierzęta domowe umożliwiały zastosowanie ich siły pociągowej do różnorodnych prac. Koło napędzane liną – aby mogło być nią napędzane – inne koło musiało się obracać najpierw i przekazać tę energię za pomocą odpowiednich lin. Stanowiło to prototyp źródła, medium transportu energii oraz odbiornika.

Z biegiem czasu, ludzkość poznała również możliwości wczesnej alchemii i wykorzystania energii chemicznej. Dziś za osobę uznawaną przez wielu za odkrywcę współczesnej elektrochemii, uważa się XVIII wiecznego włoskiego uczonego Luigiego Galvaniego (dzięki któremu zawdzięczamy nazwę: ogniwo galwaniczne). Jednak jednym z nurtujących nas do dzisiaj pytań, jest to – do czego mogła być stosowana bateria z Bagdadu – naczynie gliniane datowane na około 300 lat p.n.e., znalezione w 1936 roku w Chudżat Rabua? Na rys. 1.1.a przedstawiono ilustrację starożytnej baterii galwanicznej z Bagdadu (zachowana fotografia wykonana oryginalnie przez odkrywce w roku 1936), zaś na rys. 1.1.b – replikę zniszczonego podczas II wojny światowej oryginału. Nazywane dziś „Ogniwo z Bagdadu” było pierwszym praktycznie używanym odnalezionym ogniwem galwanicznym. To archeologiczne odkrycie niewątpliwie świadczy o podejmowanych przez ludzkość pracach nad wykorzystaniem energii elektrochemicznej już w czasach prehistorycznych.