В поисках изоляции

Всё перечисленное выше – диэлектрик и может быть использовано для изоляции электрического заряда. Вся история электричества, особенно на этапе его промышленного освоения, сопровождалась поисками путей удержания электронов в пределах проводника. Изоляция приобретала все возможные формы – твёрдые, жидкие, газообразные, природные и синтезированные человеком. Поиск лучших изоляционных материалов и вариантов их использования продолжается и сейчас. О том, как создавалась изоляция, читайте в материале «Перетока».

Подручные средства

Диэлектрические свойства материалов известны почти столько же, сколько само электричество. Уже на заре электротехники, при создании первых электрических конструкций, исследователи учитывали фактор изоляции. В первой в мире электростатической машине магдебургского бургомистра Отто фон Герике был использован шар из серы, затем из стекла, а придуманный чуть позже конденсатор при присоединении к этой машине подвешивался на шёлковые, а значит, диэлектрические нити. То есть у изобретателей было эмпирическое понимание того, что без изоляционных материалов, способных ограничивать движение заряда, ни один электрический прибор не будет работать должным образом. Тем удивительнее, что общей научной теории наиболее эффективной изоляции – как относительно материалов, так и способов их применения – не существовало очень долго, почти до создания в XIX веке источников тока высокого напряжения.

До этого момента каждый учёный сам отвечал за то, каким образом обеспечивается изоляция в приборе. Игнорирование изоляционных свойств и явлений проводимости и непроводимости могло стоить исследователю жизни. Самый яркий пример – смерть российского изобретателя Георга Рихмана. В 50-х годах XVIII века он совместно с Михаилом Ломоносовым занимался изучением атмосферного электричества. Учёные пытались доказать электрическую природу молниевых разрядов, а также измерить их. «Громовая машина» Ломоносова – Рихмана успешно справилась с этой задачей, но во время одного из экспериментов не позаботившегося о заземлении Рихмана ударила шаровая молния, она прошла через голову и вышла через ноги, проделав два отверстия – во лбу и в подошвах ботинок учёного. Смерть Рихмана имела мировой резонанс, а в России привела к временному запрету на эксперименты с электричеством: духовенство посчитало, что природа ясно дала понять нежелательность проникновения в её тайны. К слову, ошибки Рихмана в те же годы смог избежать Бенджамин Франклин при проведении знаменитого эксперимента с запуском воздушного змея для улавливания электрического заряда в грозовых облаках. Учёный обеспечил заземление для заряда и изоляцию для себя.

В то время для целей изоляции использовали то, что было под рукой. Самым распространённым диэлектриком выступало стекло: именно в нём накапливался заряд в лейденской банке; из него же был сделан цилиндр, в который помещал знаменитый электрохимический столб Алессандро Вольта; стеклянные бусы надевали на провод врачи, лечившие зубную боль зарядами от электростатической машины. Довольно рано для изоляции начали применять смолу и шёлк, в конструкцию некоторых приборов, например лейденской банки, после ряда экспериментов была введена воздушная изоляция.
Вариантов изоляции к XIX веку было достаточно, но, например, русскому физику Василию Петрову, задавшемуся целью создать первый источник тока высокого напряжения, пришлось придумывать собственный вариант. Батарея Петрова из металлических дисков была уложена в трёхметровый деревянный ящик, покрытый сургучным лаком. Ноу-хау Петрова стало изготовление многожильного гибкого провода для соединения элементов конструкции: несколько тонких металлических струн учёный обвивал медной проволокой или шёлковой ниткой, а затем покрывал тонким слоем воска.

Утопить, повесить, закопать

По мере увеличения мощности источников тока и создания первых электрических машин росла потребность в систематизации знаний об изоляции. Из кабинетов учёных электротехника перекочевала в заводские цеха.

Интересы военного дела способствовали появлению кабельной техники. В 1812 году обрусевший немец Павел Шиллинг предложил электрический метод подрыва мин, подводный кабель представлял собой проволоку с двойной изоляцией: первый слой выполнялся из шёлка, пропитанного смолистым составом, сверху накладывался второй слой из пеньки с той же пропиткой.

Ткани использовались и в изоляции подземных кабелей, потребность в которых возникла с изобретением телеграфа. Тот же Шиллинг и затем Борис Якоби (изобретатель электродвигателя и буквопечатающего телеграфа) обматывали провода хлопчатобумажной пряжей, пропитка которой содержала воск, канифоль или сало. Другим способом изоляции подземных проводов были конструкции из стеклянных трубок. Иногда для прокладки кабеля под землёй дополнительно использовали деревянные желоба.

Рост спроса на кабельную продукцию обусловил создание в 1830–1840-х годах специальных машин для обвивки проводов пряжей, пропитанной различными составами. Тогда же в обиход входит новый изоляционный материал – каучук и близкая к нему по свойствам гуттаперча. Однако возможность применения каучука ограничивалась его низкой термостойкостью, и как только в 1839 году американец Чарльз Гудьир открыл явление вулканизации, каучук заменили резиной. Чуть позже стал известен ещё один продукт вулканизации каучука – эбонит, обладающий высокими электроизоляционными свойствами. Эбонит начали применять для изоляции элементов электрических машин, но впоследствии его вытеснили пластмассы.

Воздушные линии электропередачи начали появляться в 1880-х годах и представляли собой провода, прикреплённые к опорам с помощью изоляторов из керамики, в основном из фарфора. Сами провода в случае применения изоляции чаще всего покрывались резиновой оболочкой. К концу XIX века, когда протяжённость проводов стала увеличиваться в геометрической прогрессии, требования к качеству изоляции также возросли. Частично вопрос надёжности кабелей был решён с изобретением специального пресса для бесшовного наложения изоляционного материала.

Возникли новые приборы – трансформаторы, обеспечивавшие передачу электроэнергии на дальние расстояния. Первоначальная конструкция трансформаторов предполагала изоляцию воздухом, что не обеспечивало необходимой надёжности и часто приводило к выводу техники из строя. В конце XIX века шведские изобретатели спроектировали первый масляный силовой трансформатор, катушки которого погружались в ёмкость с маслом. Эта конструкция используется в энергетике до сих пор. В 30-х годах XX века был разработан новый вид изоляции, на этот раз на основе газа – элегаз, получивший широкое распространение в высоковольтной энергетике, в частности, в комплексных распределительных устройствах. Будучи дороже своего «конкурента» – трансформаторного масла, элегаз тем не менее позволил сократить габариты трансформаторов, а также повысить их безопасность за счёт высокой пожаростойкости.

Создание мощных электрогенераторов и электродвигателей в конце XIX века заставило учёных искать новые, термостойкие изоляционные материалы. На первом этапе в изоляции использовалась многослойная, пропитанная минеральным маслом, бумажная изоляция. Позднее в электрических машинах начали применять различные материалы на основе слюды (миканит, микафолий, микалекс).

По мере развития химии в начале XX века стали появляться новые синтетические высокомолекулярные соединения с повышенной нагрево- и влагостойкостью – пластмассы, которые постепенно вытеснили из промышленного производства большинство ранее применявшихся изоляционных материалов. Например, при изготовлении воздушных линий и в кабельной промышленности вместо защищённой резины стал активно применяться поливинилхлорид (ПВХ), который впоследствии уступил место более современному изоляционному материалу – полиэтилену.

При подготовке материала использованы следующие работы (источники): Л. Д. Белькинд «История энергетической техники», О. Н. Веселовский, Я. А. Шнейберг «Очерки по истории электротехники», Ю. Н. Астахов «Линии электропередачи».