Получение электроэнергии
Для того, чтобы работали телевизор, компьютер, холодильник, приёмник, mp3-плеер и другие устройства, необходимо обеспечить их электроэнергией. Но где берётся электричество для питания всех этих устройств? Рассмотрим основные способы получения электроэнергии.
Природное электричество. Если потереть эбонитовой палочкой по шерсти, то она приобретает электрический заряд. Правда, пользы от такого электричества мало, разве только притягивать маленькие кусочки бумаги. Чтобы таким способом получить больший заряд, необходимо, чтобы он где-то накапливался. В электрофорной машине, изображённой на рисунке 1, заряд накапливается в небольших конденсаторах. Когда разность потенциалов (напряжение) становится достаточно большим, между двумя пластинами проскакивает искра.
Рис. 1.
Подобным образом, в жаркий день тёплый воздух поднимается вверх и из-за трения заряжается. Когда он поднимается на определённую высоту, где температура низкая, влага, содержащаяся в воздухе, конденсируется, и образуются облака. Так как воздух был заряжен, то облако тоже приобретает электрический заряд. Когда этот заряд становится достаточно большим, происходит пробой слоя воздуха между облаком и землёй. Так появляется молния (рис. 2).
Рис. 2.
Бенджамин Франклин (рис. 3) в середине 18 века во время грозы запустил в облако воздушного змея, и, когда в змея попала молния, ток прошёл по мокрой верёвке и зарядил лейденскую банку (прототип конденсатора). Так было доказано, что молния имеет электрическую природу.
Рис. 3.
Природное электричество является статическим и не пригодно для питания различных устройств.
Химические источники тока. Если два электрода из различных проводников поместить в раствор определённых химический веществ, то на электродах возникает разность потенциалов т.е. электрическое напряжение (рис. 4). Если цепь замкнуть, то через неё потечёт электрический ток. Впервые это явление открыл Луиджи Гальвани, итальянский учёный. Вот, как он описал своё открытие:
«Я разрезал и препарировал лягушку… и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина…, при полном разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра… Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями. Тогда я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрытого».
Однако Гальвани так до конца и не понял природу химического электричества. Это удалось сделать его последователям. Одним из последователей Гальвани стал Алессандро Вольта.
В 1800 году Алессандро Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную — и соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и показал, что по проволоке протекает электрический ток.
Так был изобретён «элемент Вольта» — первый гальванический элемент. Для удобства Вольта придал ему форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой (рис. 5). Вольтов столб высотою в полметра развивал напряжение, чувствительное для человека.
Рис. 5.
Извещение об открытии было опубликовано в письме Вольта президенту Лондонского Королевского общества Бэнксу и произвело сенсацию не только в научном мире. Наполеон пригласил Вольта в Париж, лично присутствовал на демонстрации опыта, осыпал наградами и почестями.
Благодаря этим первым батареям постоянного тока были немедленно сделаны два выдающихся открытия:
Электролиз: в том же 1800 году Никольсон и Карлайл разложили воду на водород и кислород, а Дэви в 1807 году открыл металлический калий.
Электрическая дуга. В 1803 году русский физик Василий Петров создал самый мощный в мире вольтов столб, составленный из 4 200 медных и цинковых кругов и развивающий напряжение до 2 500 вольт. С помощью этого прибора ему удалось открыть такое важное явление, как электрическая дуга, применяемая в электросварке; а в Российской армии стал применяться электрический запал пороха и взрывчатки.
Вот уже более двух столетий идёт развитие гальванических элементов. Сейчас широко распространены следующие гальванические элементы: угольно-цинковые (солевые), щелочные (алкалиновые), никельоксигидроксидные (NiOOH), литиевые.
Достоинства гальванических элементов: малый размер, большая электрическая ёмкость, относительная дешевизна.
Недостатки гальванических элементов: отсутствие возможности перезаряда. Т. о. после разряда гальванический элемент становится бесполезным.
Следующим важным шагом на пути развития химических источников тока стало изобретение электрического аккумулятора.
Электри́ческий аккумуля́тор — химический источник тока многоразового действия. Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных устройств. Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединенных в одну электрическую цепь, составляют аккумуля́торную батаре́ю (рис. 6). Ёмкость аккумуляторов обычно измеряют в ампер⋅часах.
Рис. 6.
Существуют следующие типы аккумуляторов:
Железно-воздушный аккумулятор
Железно-никелевый аккумулятор
Лантано-фторидный аккумулятор
Литиево-железно-сульфидный аккумулятор
Литиево-железно-фосфатный аккумулятор
Литиево-ионный аккумулятор
Литиево-полимерный аккумулятор
Литиево-фторный аккумулятор
Литиево-хлорный аккумулятор
Литиево-серный аккумулятор
Натриево-никелево-хлоридный аккумулятор
Натриево-серный аккумулятор
Никелево-кадмиевый аккумулятор
Никелево-металло-гидридный аккумулятор
Никелево-цинковый аккумулятор
Свинцово-водородный аккумулятор
Свинцово-кислотный аккумулятор
Серебряно-кадмиевый аккумулятор
Серебряно-цинковый аккумулятор
Цинково-бромный аккумулятор
Цинково-воздушный аккумулятор
Цинково-хлорный аккумулятор
Пьезоэлектричество.
Пьезоэлектричество — способность веществ при изменении формы продуцировать электрическую силу (рис. 7). Пьезоэлементы — кристаллы, обладающие свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) и обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект). Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг.
Рис. 7.
Термические источники тока.
Термопара – пара проводников из различных материалов, соединённых на одном конце. Применяется для получения ЭДС и измерения температуры.
Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом термоэдс. У разных металлов коэффициент термоэдс разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термоэдс в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2 (рис. 8).
Квантовые источники тока.
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию (рис. 9). Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП)[источник не указан 87 дней], поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16%, у лучших образцов до 25%. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 40,7 %.
Магнитодинамические источники тока.
Если на проводник действует меняющееся магнитное поле, то на концах проводника возникает разность потенциалов. Если такой провод свить в катушку и радом с ней быстро проводить магнитом, то можно получить достаточно большое напряжение. Можно сделать устройство, в котором катушка будет вращаться между полюсами магнита. В результате получится генератор постоянного или переменного тока (Рис. 10).
Именно таким способом получают электроэнергию в промышленных масштабах. Как правило, на электростанциях используются паровые турбины. На турбину подаётся пар под высоким давлением, который раскручивает её ротор с закреплённой на нём катушкой или магнитом. В результате, вырабатывается электроэнергия (Рис. 11).
Пар высокого давления получают с помощью кипячения воды. На тепловых электростанциях нагрев воды осуществляется с помощью сжигания газа или угля. На атомных электростанциях тепло, полученное в результате ядерной реакции, также используется для получения водяного пара. На гидроэлектростанциях падающая вода крутит ротор генератора.