Электричество

Из чего состоит ток (свойства)?

Движение заряженных частиц по цепи обуславливает проявление следующих электрических свойств:

• Тепловых. При движении заряженных частиц по проводнику (полупроводнику), его температура повышается. Данное явление лежит в основе работы нагревательных приборов (плиты, обогреватели, чайники и др.). Количество образовавшейся тепловой энергии зависит от напряжения на данном участке цепи, времени протекания самого тока и подчиняется закону Джоуля-Ленца.
• Химических. Электролиты, имеющие в своем составе положительные ионы, проходят через процесс электролиза. Он представляет собой процесс окислительно-восстановительного характера, происходящего на электродах в процессе движения заряженных частиц сквозь раствор или расплав. К положительно заряженному аноду, в результате электролиза, присоединяются анионы с отрицательным зарядом, к отрицательному катоду притягивается положительный катион. Таким образом, вещества, которые присутствуют в электролите после электролиза выделяются на электродах источника электричества.

Электролиз

Магнитных. При прохождении заряда сквозь проводник, вокруг него возникает пространство магнитного характера. Проводник характеризуется магнитными свойствами. Если вблизи от него находится, например, стрелка компаса, она примет положение перпендикулярное проводящему предмету. Первым ученым, наблюдавшим магнитные свойства, стал Эрстед в 1820 году, а цифровые закономерности этого процесса установил Ампер.

Магнитное поле проводника

• Световых. Ярким примером проявления подобных свойств является лампа накаливания. Ее нагревательный элемент в виде спирали, в результате прохождения по ней тока, нагревается и начинает светиться белым светом. На долю световой энергии приходится 5% от общего количества электроэнергии, остальная превращается в тепло.
• Механических. Любой проводник, после прохождения по нему заряженных частиц, отмечается наличием вокруг себя магнитного поля. Магнитные действия преобразовываются в движения. Явление нашло применение в реле, электродвигателях, магнитных подъемниках и других устройствах. Механические свойства объясняются законом Ампера, который был сформулирован еще в 1820 году.

Важно! Исходя из выше изложенной информации, можно сделать вывод, что ток может обеспечивать различного рода воздействия, которые проявляют себя как по отдельности, так и в комбинациях

«Золотой век» электроэнергии

Под свои нужды человек приспособил законы Вселенной относительно недавно. А произошло это примерно два века назад, когда изобретатель по фамилии Вольт
разработал первый аккумулятор, способный на длительное время сохранять заряд достаточной мощности.

Должна быть доступна достаточная мощность, особенно во время пиковой нагрузки. Этот термин означает максимальную мощность, которая создает максимальную нагрузку в течение короткого периода времени в энергосистеме. Например, такие периоды происходят утром, когда промышленность и домашние хозяйства покупают свою технику.

Альтернативные источники энергии

В то же время некоторые домохозяйства даже генерируют собственную электроэнергию, что стало возможным, например, путем использования возобновляемых источников энергии с использованием фотогальваники. В дополнение к возможности установки таких солнечных элементов на собственной крыше, самодостаточный источник питания также может быть реализован с помощью так называемой комбинированной теплоэлектростанции.

Попытки использовать ток себе во благо имеют древнюю историю. Археологические раскопки показали, что еще в римских святилищах, а потом и в первых христианских храмах были кустарные «батарейки» из меди, которые давали минимальное напряжение. Такая система подключалась к алтарю или его оградке и как только верующий прикасался к сооружению, он тут же получал «божественную искру
». Скорее это изобретение одного умельца, чем повсеместная практика, но факт любопытный, в любом случае.

Однако выработка электроэнергии не обязательно означает, что это производство электрической энергии на электростанции или подобное. Выработка электроэнергии также может осуществляться с помощью так называемых источников напряжения. Наиболее известным примером этого является аккумулятор. В качестве одноразовой батареи или в качестве перезаряжаемой батареи она содержит электрическое напряжение заряженного состояния, с которым может работать разнообразное электрооборудование.

Акустическая энергия может использоваться с новой конструкцией в широком диапазоне частот для выработки электроэнергии. Солнечный свет, тепло, движение и ветер являются наиболее часто используемыми источниками энергии для автономного источника питания без подключения к сети. Но даже из звуковых волн могут быть по крайней мере небольшие токи с несколькими милливаттами. Этого достаточно для работы датчиков или микросхем памяти. Ученые из Университета Чунцина, чтобы «пожинать» акустическую энергию более эффективно, теперь создали генератор, который впервые генерирует электричество от звуковых волн в другом частотном диапазоне.

Двадцатый век стал периодом расцвета электроэнергии
:

1. Появлялись не только новые виды генераторов и аккумуляторов, но и разрабатывались уникальные концепции добычи этой самой энергии.
2. Электрические приборы за несколько десятилетий плотно вошли в жизнь каждого человека на планете.
3. Не осталось стран, кроме наименее развитых, где не были бы построены электростанции
   и проведены линии электропередач
   .
4. Весь дальнейший прогресс опирался на возможности электричества и устройств, которые от него работают.
5. Эпоха компьютеризации сделала человека зависимым от тока, в прямом смысле этого слова.

Рисунок: Прототип акустического генератора. Используя штамп, резонансное поведение в звуковой камере изменяется таким образом, что звук генерирует вибрации из широкого диапазона частот и, наконец, ток через пьезоэлемент. Как и другие концепции для мини-электростанций, пьезоэлектрические элементы отвечают за выработку электроэнергии с помощью акустических генераторов. Если кинетическая энергия не доступна, небольшие токи также могут собираться посредством вибраций, вызванных звуковыми волнами. Сяо Пэн и его коллеги установили пьезоэлемент из титаната цирконата свинца на тонком диске.

Кто придумал электричество — история

Частные проявления электричества изучались ещё задолго до нашей эры. Но соединить их в одну теорию, объясняющую вспышки молний в небе, притяжение предметов, способность вызывать пожары и онемение частей тела или даже смерть человека, оказалось непростой задачей.

Учёные издревле изучали три проявления электричества:

• Рыбы, вырабатывающие электричество;
• Статическое электричество;
• Магнетизм.

В Древнем Египте целители знали о странных способностях нильского сома и пытались с его помощью лечить головную боль и другие заболевания. Древнеримские врачи использовали в сходных целях электрического ската. Древние греки подробно изучали странные способности ската и знали, что оглушить человека существо могло без прямого контакта через трезубец и рыболовные сети.

Несколько раньше было обнаружено, что если потереть янтарь о кусок шерсти, то он начнёт притягивать шерстинки и небольшие предметы. Позже был открыт и другой материал со сходными свойствами – турмалин.

Примерно в 500-х годах до н.э. индийские и арабские учёные знали о веществах, способных притягивать железо и активно использовали эту способность в разных областях. Около 100-го года до н.э. китайские учёные изобрели магнитный компас.

В 1600 году Уильям Гилберт, придворный врач Елизаветы I и Якова I, обнаружил, что вся планета – это один огромный компас и ввел понятие «электричество» (с греческого «янтарность»). В его трудах эксперименты с натиранием янтаря о шерсть и способность компаса указывать на север начали объединяться в одну теорию. На картине ниже он демонстрирует магнит Елизавете I.

В 1633 год инженер Отто фон Герике изобретает электростатическую машину, которая может не только притягивать, но и отталкивать предметы, а в 1745 году Питер ван Мушенбрук сооружает первый в мире накопитель электрического заряда.

В 1800 году итальянец Алессандро Вольта изобретает первый источник тока – электрическую батарею, вырабатывающую постоянный ток. Также он смог передать электрический ток на расстояние. Поэтому именно этот год многие считают годом изобретения электричества.

В 1831 году Майк Фарадей открывает явление электромагнитной индукции и открывает направление для изобретения различных устройств на основе электрического тока.

На рубеже XIX-XX веков совершается огромное количество открытий и достижений, благодаря деятельности Николы Тесла. Среди прочего, он изобрёл высокочастотный генератор и трансформатор, электродвигатель, антенну для радиосигналов.

Традиционные электростанции

Хотя за последние годы тенденции в энергетике меняются быстрыми темпами, можно выделить основные виды электростанций, работающих по классическим принципам. В первую очередь это объекты тепловой генерации. Выработка ресурса производится в результате сгорания органического топлива и последующего преобразования выделяемой тепловой энергии. При этом существуют разные виды таких станций, в числе которых теплофикационные и конденсационные. Главным отличием между ними является возможность объектов второго типа также генерировать и тепловые потоки. То есть при ответе на вопрос о том, откуда берется электричество, можно отметить и станции, которые параллельно производят и другие виды энергии. Кроме тепловых объектов выработки, достаточно распространены гидро- и атомные станции. В первом случае предполагается преобразование энергии от движения воды, а во втором — в результате деления атомов в специальных реакторах.

Забытый биогаз

Электричество получают не только на локальных установках. Крупные станции по преобразованию биотоплива построены во многих регионах. Так, завод по получению электричества в Даугавпилсе (Латвия) вырабатывает около 1,96 МВт электроэнергии из травы.

Станции для выработки биогаза в Германии

Силос (питательный корм для животных) не всегда получают в том качестве, в котором его можно давать на корм скоту. Кроме того, многие другие культуры, как многолетние, так и однолетние, стабильно наполняют станцию отходами. Они хранятся в особых бункерах, при нужной температуре. Производство абсолютно экологически чистое и безотходное.

Ежедневно к огромным хранилищам подвозится до 100 т измельченной травы. В хранилищах она «бродит», активно выделяя метан. Тепловая энергия преобразуется в электрическую и идет на нужды окружающих зданий. Пожалуй, единственным недостатком таких биостанций можно назвать не очень приятный запах в округе.

Конечно, нельзя просто воткнуть лампочку в траву, чтобы она загорелась. Но наука над этим работает

***

Это не все варианты использования «подножного» топлива. Такой естественный и распространенный природный материал как трава еще не раз привлечет разработчиков альтернативных источников энергии. И все они, скорее всего, будут выигрышными по сравнению с традиционными и невозобновляемыми ресурсами.

Виды деятельности в электроэнергетике

Электрические компании занимаются бесперебойной доставкой электричества каждому потребителю. В энергетической сфере уровень занятости превышает этот показатель некоторых ведущих отраслей народного хозяйства государства.

Оперативно-диспетчерское управление

ОДУ играет важнейшую роль в перераспределении энергопотоков в обстановке изменяющегося уровня потребления. Диспетчерские службы направлены на то, чтобы передавать электрический ток от производителя потребителю в безаварийном режиме. В случае каких-либо аварий или сбоев в линиях электропередач ОДУ выполняют обязанности оперативного штаба по быстрому устранению этих недостатков.

Энергосбыт

В тарифах на оплату за потребление электричества включены расходы на прибыль энергокомпаний. За правильностью и своевременностью оплаты за потреблённые услуги следит служба – Энергосбыт. От неё зависит финансовое обеспечение всей энергосистемы страны. К неплательщикам применяются штрафные санкции, вплоть до отключения электроснабжения потребителя.

Энергосистема – кровеносная система единого организма государства. Производство электроэнергии является стратегической сферой безопасности существования и развития экономики страны.

Бактериородопсин, что это?

Бактериородопсин можно выделить из галобактерий, поместив эти солелюбивые создания, прекрасно чувствующие себя в насыщенном растворе поваренной соли, в воду. Тотчас же они переполняются водой и лопаются, при этом их содержимое смешивается с окружающей средой. И только мембраны, содержащие бактериородопсин, не разрушаются из-за прочной “упаковки” молекул пигмента, которые образуют белковые кристаллы (еще не зная структуры, ученые назвали их фиолетовыми бляшками). В них молекулы бактериородопсина объединены в триады, а триады — в правильные шестиугольники. Поскольку бляшки значительно крупнее всех других компонентов галобактерий, их нетрудно выделить путем центрифугирования. После промывки центрифугата получается пастообразная масса фиолетового цвета. На 75 процентов она состоит из бактериородопсина и на 25 — из фосфолипидов, заполняющих промежутки между белковыми молекулами.

Фосфолипиды — это молекулы жиров в соединении с остатками фосфорной кислоты. Другие вещества в центрифугате отсутствуют, что создает благоприятные условия для экспериментирования с бактериородопсином. К тому же это сложное соединение очень устойчиво к факторам внешней среды. Оно не утрачивает активности при нагревании до 100 °С и может храниться в холодильнике годами. Бактериородопсин устойчив к кислотам и различным окислителям. Причина его высокой устойчивости обусловлена тем, что эти галобактерии обитают в чрезвычайно суровых условиях — в насыщенных солевых растворах, какими, по существу, являются воды некоторых озер в зоне выжженных тропическим зноем пустынь.

В такой чрезвычайно соленой, да к тому же еще и перегретой, среде организмы, обладающие обычными мембранами, существовать не могут. Это обстоятельство представляет большой интерес в связи с возможностью использования бактериородопсина в качестве трансформатора световой энергии в электрическую.

Если выпавший в осадок под воздействием ионов кальция бактериородопсин осветить, то с помощью вольтметра можно обнаружить наличие электрического потенциала на мембранах. Если выключить свет, он исчезает. Таким образом, ученые доказали, что бактериородопсин может функционировать как генератор электрического тока.

Переменный ток

В начале электрической эры все потребители пользовались постоянным электрическим током. Большой вклад в развитие и распространение сетей с постоянным током внёс американский изобретатель и предприниматель Томас Алва Эдисон (1847 – 1931 гг.). Человек удивительной работоспособности. Только в США он получил 1093 патента. Если брать другие страны мира, то это ещё около трёх тысяч запатентованных изобретения. Томас Эдисон стоял у истоков широкомасштабного применения электричества. Его вариант электрической лампы накаливания с прочной нитью в колбе с вакуумом имел большой коммерческий успех. Не без влияния Томаса Эдисона на промышленных предприятиях стали заменять паровые машины на электродвигатели постоянного тока (на переменном токе электродвигателей ещё не было). Одним словом, в конце XIX века электричество начало семимильными шагами входить в жизнь людей. 

К сожалению, у электрического тока в то время был обнаружен один существенный недостаток. Его очень сложно передавать на большие расстояния. Как мы знаем любой проводник оказывает сопротивление прохождению электрического тока. На маленьких расстояниях это практически незаметно, а на больших сопротивление прибавляется и потери становятся сильно ощутимы. Единственным приемлемым выходом из этой ситуации является передача электроэнергии на повышенном напряжении (десятки и сотни тысяч вольт). Чтобы на передающей стороне повысить, а на принимающей стороне опять понизить напряжение нужны специальные трансформаторы. С постоянным током трансформаторы не работают. Соответствующее решение предложил Никола Тесла (1856 – 1943 гг.). Именно он разработал системы передачи электроэнергии посредством многофазного переменного тока, в которую входили генераторы, повышающие и понижающие трансформаторы, а также в качестве потребителей были представлены электрические машины (в том числе, изобретённый им асинхронный электродвигатель переменного тока). 

Опора высоковольтной линии электропередачи

Переменный ток – электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению. Например, в обычной домашней розетке плюс с минусом на правой и левой клеммах меняются местами 50 раз в течение одной секунды. Человеческий глаз не может различать такую частоту. Поэтому, при включении дома обычной лампы накаливания мы видим ровное (без морганий) освещение. Количество изменений за 1 сек. называется частотой переменного тока и обозначается буквой F (эф). За единицу измерения частоты принят один «герц» (Гц). Такое название единица получила в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца (1857 – 1894 гг.). В России, как и во многих странах мира, стандарт частоты переменного тока равен 50 Гц. 

Переменный электрический ток вырабатывается на электростанциях (гидроэлектростанции, теплоэлектростанции и атомные электростанции). Принцип везде одинаков – механическое движение турбины передаётся ротору генератора, вращение которого приводит к возникновению напряжения в обмотках статора. На гидроэлектростанциях (ГЭС) турбину вращает поток воды. На теплоэлектростанциях (ТЭЦ) энергия сжигаемого топлива (бензин, керосин, дизельное топливо, газ и т.п.) нагревает в котлах воду до состояния пара, который вращает паровую турбину. На атомных электростанциях (АЭС) энергия ядерной реакции нагревает теплоноситель первого контура. Затем этим теплом до состояния пара нагревается вода второго контура, которая опять же вращает паровую турбину. 

Электронные электросчетчики

В них все реализуется с помощью микропроцессорной техники, схема ниже:

ТТ – трансформатор тока

С помощью датчиков тока ДТ и датчиков напряжения ДН снимаются значения тока и напряжения сети.

После датчиков сигналы поступают на аналогово-цифровой преобразователь, где сигнал с аналогового превращается в цифровой и поступает на микроконтроллер.

Микроконтроллер в свою очередь производит вычисления и отправляет данные на дисплей или через интерфейс на другое устройство.

С помощью таких электросчетчиков можно централизовано вести учет электроэнергии различных линий.

Главным достоинством электронных электросчетчиков над индукционными является:

• отсутствие вращающихся частей, что снижает вероятность поломки;
• возможность вести учет электроэнергии по различным тарифам с автоматическим переключением по времени суток (многотарифные счетчики);
• меньшая погрешность измерения, особенно при малых нагрузках;
• возможность передачи данных на расстояние через интерфейсы, что не требует постоянного присутствия для снятия данных;
• удобность применения;

Недостатки:

• большая стоимость;
• большая вероятность выхода из строя при больших скачках напряжения и тока сети;
• более дорогостоящий и трудный ремонт;
• выше чувствительность к климатическим условиям (например перепад температур);
• труднее диагностировать неисправности;

Мировое производство электроэнергии

Динамика мирового производства электроэнергии (Год — млрд. кВт*ч):

• 1890 — 9
• 1900 — 15
• 1914 — 37,5
• 1950—950
• 1960—2300
• 1970 — 5000
• 1980 — 8250
• 1990 — 11800
• 2000 — 14500
• 2005 — 18138,3
• 2007 — 19894,8
• 2013 — 23127
• 2014 — 23536,5
• 2015 — 24255
• 2016 — 24816

Крупнейшими в мире странами-производителями электроэнергии являются Китай и США, вырабатывающие соответственно 25 % и 18 % от мирового производства, а также уступающие им в примерно 4 раза каждая — Индия, Россия, Япония.

Архивный номер № 48 (686) от 27 ноября 2007 — Песочница

Где вырабатывается электрическая энергия?

Электричество производят на электростанциях. Существуют различные виды электростанций, но самыми распространенными в мире являются тепловые, атомные и гидроэлектростанции.

На тепловых электростанциях электричество получают, сжигая уголь или нефть. При горении топлива вода в огромных котлах нагревается и превращается в пар. Пар воздействует на гигантское колесо, называемое турбиной, и заставляет его вращаться; турбина в свою очередь приводит в действие машину под названием генератор. Когда генератор вращается, вырабатывается электричество.

На гидростанциях вода падает с плотины, построенной на реке, тогда как электростанция расположена ниже по течению. Сила падения воды приводит в движение турбину, а та заставляет вращаться генератор. Таким образом движение падающей воды превращается в электроэнергию.

На атомных станциях используется руда, содержащая уран. После обработки он вырабатывает атомную энергию, согревающую воду в котле. Образующийся пар заставляет вращаться турбину, которая в свою очередь приводит в действие генератор, вырабатывающий электричество.

Можно ли использовать солнечную энергию для получения электричества?

Солнце является источником всех видов энергии. Конечно, непосредственно от него трудно получить полезную энергию, помимо света и тепла.

Мечтой многих ученых является прямое использование солнечной энергии и превращение ее в электрическую. В течение многих лет они работают над проектом создания солнечной электростанции. Хотя и удалось успешно завершить один из проектов, но этот тип станций очень дорогостоящий и к тому же на них вырабатывается недостаточное количество электричества, поэтому их использование очень ограничено. Эта технология используется на искусственных спутниках и в зонах, куда трудно проложить электрический кабель, а также в виде экспериментов в домах и автомобилях.

Солнечные станции называются фотогальваническими. Эта система состоит из пластин, которые, будучи направлены на Солнце, получают энергию и вырабатывают электрический ток.

Какие меры предосторожности следует принимать, имея дело с электричеством?

Если дотронуться до оголенного электрического провода, когда по нему проходит ток, то по телу как будто пропускают разряд, подобный электрическому удару. Если электрические разряды очень сильные, то они могут убить или вызвать серьезные ожоги. Если разряд небольшой, то он ощущается как небольшая судорога.

Необходимо строго выполнять правила обращения с электрическими приборами: нельзя трогать электроприборы, когда у тебя мокрые руки или ноги, поскольку вода увеличивает проводимость тока. Ни в коем случае нельзя сверлить телефонные столбы и уличные фонари, а также приближаться к зоне, где имеется указатель «Опасность» или «Высокое напряжение».

Скорость электрического тока

Скорость движения свободных электронов в проводнике довольно маленькая. Однако, если взять электрическую лампочку, удалённую от источника на несколько километров, и соединить её такими же длинными проводниками с ним (источником), то электрический ток возникнет практически мгновенно после создания цепи. То есть, лампочка загорится сразу же при подключении к источнику питания. Дело в том, что через лампочку начинают идти электроны не от источника питания, а те свободные электроны, которые находятся в самом проводнике. На место ушедшего электрона приходит электрон от соседнего атома проводника, на его место от следующего атома. Получается своеобразная цепочка из электронов. А электроны из источника питания постепенно приходят на их место. В качестве пояснения можно привести пример с поливочным шлангом на даче. Если его наполнить водой и один конец подключить к водопроводу, то при открытии крана вода на другом конце начнёт сразу же вытекать из шланга. Молекулы воды, которыми в первый момент осуществляется полив, будут не из водопровода, а из шланга. Потом на их место придут молекулы воды из водопровода.

История развития

Японский профессор Фудзио Такахаси для получения электроэнергии использовал хлорофилл, извлеченный из листьев шпината. Транзисторный приемник, к которому была присоединена солнечная батарейка, успешно работал. Кроме того, в Японии проводятся исследования по преобразованию солнечной энергии в электрическую с помощью цианобактерий, выращенных в питательной среде. Тонким слоем их наносят на прозрачный электрод из оксида цинка и вместе с противоэлектродом погружают в буферный раствор. Если теперь бактерии осветить, то в цепи возникнет электрический ток.

В 1973 году американцы У. Стокениус и Д. Остерхельт описали необычный белок из мембран фиолетовых бактерий, обитающих в соленых озерах Калифорнийских пустынь. Его назвали бактериородопсином. Любопытно отметить, что бактериородопсин появляется в мембранах галобактерий при недостатке кислорода. Дефицит же кислорода в водоемах возникает в случае интенсивного развития галобактерий. С помощью бактериородопсина бактерии усваивают энергию Солнца, компенсируя тем самым возникший в результате прекращения дыхания дефицит энергии.