Электротехнология

Технология – это наука о воздействии на сырье или полуфабрикаты для получения конечного продукта. Технологией же называют и совокупность методов обработки, изменения состояния свойств, то есть опять же изготовление конечного продукта из материала-полуфабриката.

Занимаясь поисками более надежных источников питания для своего двигателя, Борис Семенович Якоби обратил внимание на то, что слой меди, оседающей на электроде, нарастает исключительно равномерно, повторяя в точности все неровности и все царапинки на поверхности электрода. При этом осажденный слой было довольно легко снять. Счастливая мысль поразила исследователя. Он снял с входной двери медную табличку, на которой было выгравировано его имя, сунул на место медного электрода и скоро получил точное негативное изображение надписи. Он взял тяжелый медный пятак и получил оттиск с одной и с другой стороны. Это было чудесное открытие. Ведь в качестве одного из электродов можно брать хоть серебро, хоть золото, а в качестве второго – металлическое изделие. Не очень долгий процесс под током от тех же гальванических батарей – и металл изделия оказывался посеребренным или вызолоченным!

Новыми опытами увлеклись многие. Открытие Якоби оказалось весьма своевременным. Россия готовилась к реформе перехода на денежную систему ассигнаций взамен кредитных билетов. Реформа затягивалась из-за изготовления граверами точных клише, которые нельзя было бы подделать. Изобретение Якоби снимало проблему.

Гальванопластическая мастерская XIX века

В 1842 году из печати вышло первое «Теоретическое и практическое руководства к золочению, серебрению, платинированию, лужению». Автор – А. Ф. Греков. Еще через два года – «Гальванизм в техническом применении» князя В. Одоевского. Процессами золочения в железосинеродистых электролитах активно занимался князь Петр Багратион. Отдал дань всеобщему увлечению и Эмилий Ленц, занявшись изготовлением копий медальонов методом гальванопластики.

Сам Якоби получил возможность организовать мастерскую гальванотехники.

Электрический взрыватель мин

В заказах недостатка не было. Статуи и барельефы для Исаакиевского собора, для Зимнего дворца и Петропавловского собора в Санкт-Петербурге, для Большого театра в Москве и для других зданий. Более сорока пяти пудов золота пошло на золочение куполов соборов Санкт-Петербурга и храма Христа Спасителя в Москве, все эти заказы выполнили мастерские гальванопластики. Чтобы познакомить со своим изобретением европейских ученых, Якоби сделал гальванопластическую копию с металлической пластинки, на которой было выгравировано: «Фарадею от Якоби с приветствием». Копия поехала в Англию, откуда скоро пришел ответ «короля физиков»: «Меня так сильно заинтересовало Ваше письмо и те большие результаты, о которых Вы даете мне такой обстоятельный отчет, что я перевел его и передал почти целиком издателям «Философикал мэгэзин» в надежде, что они признают эти новости важными для своих читателей…»

Фарадей не ошибся. Мастерские гальванопластики стали возникать во всех странах. А отчет Якоби, представленный на Всемирной выставке 1867 года в «Записках Академии наук», оказался едва ли не самым популярным экспонатом.

Интересно, что при раскопках в древних египетских гробницах археологи нашли немало деревянных предметов, покрытых слоем меди. Скорее всего, древние египетские жрецы владели способом гальванопластики. Искусство химического превращения строго охранялось в египетских храмах от непосвященных. Со временем и с нашествием арабов древнее искусство сначала забыли, а потом и потеряли его секреты.

В 1800 году английские физики Уильям Никольсон и Энтони Карлейль сообщили о том, что им удалось с помощью электрического тока от вольтова столба разложить воду.

Сегодня с помощью электрохимических процессов ведется в промышленных масштабах электролитическое разложение воды, получение хлора и щелочи, электрохимический синтез соединений, гальванотехника, получение и рафинирование металлов и другие процессы.

Электрические запалы мин

Электрическая печь Вильяма Сименса

В 1802 году Василий Петров исследовал электролиз воды, оксидов свинца, олова, ртути, а также электролиз органических соединений.

В 1838 году российский академик Борис Якоби заявил о разработанном им методе гальванопластики, создал целый ряд приборов, нашедших широкое применение в промышленности и военном деле. Среди них телеграфный аппарат и линия связи между Зимним дворцом, Царскосельским дворцом и Главным штабом. Наконец, во время Крымской войны он разработал новый метод подрыва мин с помощью магнитоэлектрической машины и создал дистанционный электрический минный взрыватель.

В запал мины вставлялся проводник, который раскалялся электрическим током, воспламенял запальную смесь и… ба-бах! Были и другие запалы, взрывающиеся от искры, которая проскакивала между проводниками от электрической машинки.

Для промышленного применения электродугового нагрева французы Депре и Пишон, а также «английский» Сименс изобрели электроплавильные печи. В тигели с платиновым или угольным отрицательным электродом в днище загружали куски стали. С другой стороны присоединяли «плюсовой» провод от динамо-машины. Возникала дуга, которая плавила металл. Потом уже другие изобретатели придумали специальные печи для плавки металлов электрическим способом.

Николай Гаврилович Славянов (1854–1897)

В 1888 году в России горный инженер Николай Гаврилович Славянов изобрел метод электрической отливки и сварки металлов, получив патенты во многих европейских странах. Он же изобрел метод «электрического уплотнения металлических отливок» и в судостроении заменил клепку корпусов сваркой.

Англичане в самом конце XIX века разработали теорию и практику индукционного нагрева и плавки. По сути, к 90-м годам XIX века в мире возникла новая отрасль промышленности – электротехнология. Сегодня она настолько широко внедрена в промышленность и получила такое развитие, что понадобилась специальная классификация.

Прежде всего это электротермические процессы, при которых электрическая энергия преобразуется в тепловую, а уже та используется в технологии производства. При этом нагрев может происходить самым разным образом: либо как нагрев резистивный (нагрев сопротивления), либо – электродуговой. Нагрев проводников в электромагнитном поле – индукционный нагрев и нагрев диэлектрический, когда температура повышается в диэлектрике. Обрабатываемые детали могут нагреваться в потоке плазмы, электронным лучом, с помощью лазера, в высокочастотном электромагнитном поле.

Примерами первых бытовых применений резистивного нагрева в XIX веке являлись электрические самовар, камин, инкубатор и грелка для щипцов, чтобы завивать волосы дамам.

Но затем идут более серьезные задачи – электросварочные процессы, которые не нуждаются в особом разъяснении. Достаточно представить себе картину цеха, где производилась электросварка при помощи вольтовой дуги. Все процессы и атрибуты нам хорошо знакомы. То же темное стекло, предохраняющее глаза от яркого света, те же или почти те же электроды.

Далее назовем электрофизические процессы, использующие различные физические эффекты для механической обработки. К ним относится электроэрозионная обработка. Суть ее заключается в разрушении участков заготовки под действием электрических разрядов. В качестве источников электрической энергии применяются специальные генераторы импульсов.

Электрический самовар

Электрический инкубатор

Метод электроимпульсной обработки давлением (электровзрывная обработка) применяется при штамповке, чеканке, дроблении хрупких материалов и при вытяжке изделий. Есть и другие виды электрофизической обработки различных материалов: электронно-ионная технология, электроочистка с помощью сильного электрического поля. Нанесение защитных покрытий в электрическом поле, электропечать и другие…

Следующим классом электротехнологических процессов является электрохимическая технология.

В середине 60-х годов XIX века в Англии инженер Элкингтон, используя имевшуюся в его распоряжении магнитоэлектрическую машину Вильде, попытался осуществить электрическую очистку меди. Но первая успешная установка для очистки меди была сконструирована в 1878 году фирмой «Сименс и Гальске». Электролитом служил раствор медного купороса, и медь с катода снималась достаточно чистой (99,5 %).

Химические процессы, происходящие в электролите при прохождении через него постоянного электрического тока, называются электролизом. При этом на катоде выделяются продукты восстановления, входящие в состав электролита, а на аноде – продукты окисления. Количественные изменения описываются законами Фарадея.

На электролизе основано получение многих металлов, щелочей, хлора, водорода, кислорода, некоторых органических веществ и химических продуктов.

На электролитическом методе был основан способ получения цинка, золота, магния и, что особенно привлекало интерес промышленников, – алюминия. Благодаря электролизу этот легкий серебристый металл из драгоценного и труднодобываемого в малых количествах (в 1856 году один килограмм алюминия стоил 1200 франков) к концу XIX века превратился в широко распространенный и общеупотребительный (стоил он уже около 30 франков за килограмм).

Электрическая грелка для парикмахерских щипцов

С помощью электролиза получают и различные неорганические вещества. В частности, хлор и щелочь. В свое время американцы у Ниагарского водопада, рядом с грандиозной по своему времени электростанцией, построили завод для получения карбида кальция, который использовался в промышленности XIX века.

Широко применяется в промышленности и в других отраслях анодная обработка металлов, в частности, электрополирование и анодное оксидирование. Что такое полирование, я думаю, понятно каждому. Но на всякий случай напомню историю появления процесса. В 1910 году русский химик Е. И. Шпитальский обнаружил эффект полирования поверхности металла при погружении его в концентрированный раствор кислородосодержащих кислот и пропускании через раствор электрического тока. Сегодня таким способом осуществляется электрополирование многих металлов.

При анодном оксидировании поверхность алюминия становится более прочной и изнашивается не столь быстро.