З курсу фізики всі знають, що під електричним струмом мають на увазі спрямований впорядкований рух частинок, що несуть заряд. Для його отримання в провіднику утворюють електричне поле. Те ж необхідно для того, щоб продовжував існувати тривалий час електричний струм.
Джерела електричного струму можуть бути:
- статичними;
- хімічними;
- механічними;
- напівпровідниковими.
У кожному з них виконується робота, де розділяються рознозаряджені частинки, тобто створюється електричне поле джерела струму. Розділившись, вони накопичуються на полюсах, в місцях приєднання провідників. Коли полюси з'єднуються провідником, частинки з зарядом починають рух, і утворюється електричний струм.
Джерела електричного струму: винахід електромашини
До середини сімнадцятого століття для отримання електричного струму потрібно чимало зусиль. У той же час зростало число вчених, які займаються цим питанням. І ось Отто фон Геріке винайшов першу в світі електричну машину. В одному з експериментів з сірою вона, розплавлена всередині порожньої кулі зі скла, затверділа і розбила скло. Геріке зміцнив кулю так, щоб її можна було крутити. Обертаючи його і притискаючи шматок шкіри, він отримував іскру. Це тертя помітно полегшило короткочасне отримання електрики. Але більш важкі завдання вдалося вирішити лише при подальшому розвитку науки.
Проблема полягала в тому, що заряди Геріке швидко зникали. Для збільшення тривалості заряду тіла поміщали в закриті судини (скляні пляшки), а електризованим матеріалом виступала вода з цвяхом. Експеримент оптимізували, коли пляшку з обох сторін покривали провідним матеріалом (листами фольги, наприклад). В результаті зрозуміли, що можна було обійтися і без води.
Жаб'ячі лапки як джерело струму
Інший спосіб отримання електрики вперше відкрив Луїджі Гальвані. Будучи біологом, він працював у лабораторії, де експериментували з електрикою. Він бачив, як у мертвої жаби скорочувалася лапка при її збудженні іскрою від машини. Але одного разу той же самий ефект був досягнутий випадково, коли вчений доторкнувся до неї сталевим скальпелем.
Він почав шукати причини, звідки з'явився електричний струм. Джерела електричного струму, за його фінальним висновком, перебували в тканинах жаби.
Інший італієць, Алессандро Вольто, довів неспроможність «жаб» природи виникнення струму. Було помічено, що найбільший струм виникав при додаванні міді і цинку в розчин сірчаної кислоти. Така комбінація отримала назву гальванічного або хімічного елемента.
Але використання такого засобу для отримання ЕДС стало б занадто витратним. Тому вчені працювали над іншим, механічним, способом видобутку електричної енергії.
Як влаштований звичайний генератор?
На початку дев'ятнадцятого століття Г.Х. Ерстед виявив, що при проходженні струму через провідник виникало поле магнітного походження. А трохи пізніше Фарадей відкрив, що при перетині силових ліній цього поля в провідник наводиться ЕДС, яка викликає струм. ЕДС змінюється в залежності від швидкості руху і самих провідників, а також від напруженості поля. При перетині ста мільйонів силових ліній за секунду наведена ЕДС ставала рівною одному Вольту. Зрозуміло, що ручне проведення в магнітному полі не здатне дати великий електричний струм. Джерела електричного струму цього виду набагато більш ефективно показали себе з намоткою дроту на велику котушку або виробництва її у формі барабана. Котушку насаджували на вал між магнітом і обертовою водою або пором. Таке механічне джерело струму притаманне звичайним генераторам.
Великий Тесла
Геніальний вчений з Сербії Нікола Тесла, присвятивши своє життя електриці, зробив багато відкриттів, які ми використовуємо і сьогодні. Багатофазні електричні машини, асинхронні електричні мотори, передача енергії через багатофазний змінний струм - це далеко не весь перелік винаходів великого вченого.
Багато хто впевнений, що явище в Сибіру, яке отримало назву Тунгуський метеорит, насправді викликав саме Тесла. Але, напевно, одним з найбільш загадкових винаходів є трансформатор, здатний отримувати напругу до п'ятнадцяти мільйонів вольт. Незвичайним є як його пристрій, так і непіддаються відомим законам розрахунки. Але в ті часи почали розвивати вакуумну техніку, в якій не було неясностей. Тому про винахід вченого на час забули.
Але сьогодні, з появою теоретичної фізики, до його робіт знову відновився інтерес. Ефір визнали газом, на який поширюються всі закони газової механіки. Саме звідти черпав енергію великий Тесла. Варто зазначити, що ефірна теорія була дуже поширена в минулому серед багатьох вчених. Лише з виникненням СТО - спеціальної теорії відносності Ейнштейна, в якій він спростовував існування ефіру, - про нього забули, хоча сформульована пізніше загальна теорія не оскаржувала його як такого.
Але поки зупинимося детальніше на електричному струмі і пристроях, які повсюдно поширені сьогодні.
Розвиток технічних пристроїв - джерел струму
Такі прилади служать для перетворення різної енергії в електричну. Незважаючи на те, що фізичні та хімічні способи отримання електричної енергії були відкриті давно, повсюдне поширення вони отримали лише з другої половини двадцятого століття, коли стала бурхливо розвиватися радіоелектроніка. Початкові п'ять гальванічних пар поповнилися ще 25 типами. А теоретично гальванічних пар може налічуватися кілька тисяч, оскільки вільна енергія може бути реалізована на будь-якому окислювачі і відновителі.
Фізичні джерела струму
Фізичні джерела струму стали розвиватися трохи пізніше. Сучасна техніка висувала все більш жорсткі вимоги, і промислові термо- і термоемісійні генератори з успіхом справлялися з возраставшими завданнями. Фізичні джерела струму - це пристрої, де теплова, електромагнітна, механічна та енергія радіаційного випромінювання і ядерного розпаду перетворюється на електричну. Крім вищеназваних, до них також зараховують електромашинні, МГД генератори, а також службовці для перетворення сонячного випромінювання і атомного розпаду.
Щоб електричний струм у провіднику не зникав, потрібне зовнішнє джерело для підтримки різниці потенціалів на кінцях провідника. Для цього служать джерела енергії, у яких є деяка електродвигуча сила для створення і підтримки різниці потенціалів. ЕДС джерела електричного струму вимірюється роботою, що виконується при перенесенні плюсового заряду по всьому замкнутому ланцюгу.
Опір всередині джерела струму кількісно характеризує його, визначаючи величину втрат енергії при проходженні через джерело.
Потужність і коефіцієнт корисної дії рівні відношенню напруги в зовнішньому електричному ланцюгу до ЕДС.
Хімічні джерела струму
Хімічне джерело струму в електричному ланцюгу ЕДС є пристроєм, де енергія хімічних реакцій перетворюється на електричну.
У його основу входять два електроди: негативно заряджений відновитель і позитивно заряджений окислювач, які контактують з електролітом. Між електродами виникає різність потенціалів, ЕДС.
У сучасних пристроях часто використовуються:
- як відновитель - свинець, кадмій, цинк та інші;
- окислювача - гідроксид нікелю, оксид свинцю, марганцю та інші;
- електроліта - розчини з кислот, лужів або солей.
Широко використовують сухі елементи з цинку і марганцю. Береться посудина з цинку (що володіє негативним електродом). Всередині поміщають позитивний електрод з сумішшю діоксиду марганцю з вугільним або графітовим порошком, яким скорочують опір. Електролітом виступає паста з нашатиря, крохмалю та інших складових.
Кислотний свинцевий акумулятор - це найчастіше вторинне хімічне джерело струму в електричному ланцюгу, що володіє високою потужністю, стабільно працює і має невисоку вартість. Акумулятори подібного виду використовуються в різних областях. Їх часто воліють за стартерні батареї, які особливо цінні для автомобілів, де вони взагалі є монополістами.
Інший поширений акумулятор складається з заліза (анода), гідрату оксиду нікелю (катода) і електроліту - водного розчину калію або натрію. Активний матеріал мають у сталевих нікельованих трубках.
Застосування цього виду знизилося після пожежі на заводі Едісона в 1914 році. Однак, якщо порівнювати характеристики першого і другого виду акумуляторів, то виявиться, що експлуатація залізо-нікелевого може бути в рази довше свинцево-кислотного.
Генератори постійного і змінного струму
Генераторами називаються пристрої, які спрямовані на перетворення механічної енергії в електричну.
Найпростіший генератор постійного струму можна уявити у вигляді рамки з провідника, яку помістили між магнітними полюсами, а кінці під'єднали до ізольованих півкільць (колектора). Щоб пристрій працював, необхідно забезпечити обертання рамки з колектором. Тоді в ній буде індукуватися електричний струм, що змінює свій напрямок під впливом магнітних силових ліній. У зовнішній ланцюг він буде йти в єдиному напрямку. Виходить, що колектор буде випрямляти змінний струм, який виробляється рамкою. Для досягнення постійного струму колектор виготовляють з тридцяти шести і більше пластин, а провідник складається з безлічі рамок у вигляді обмотки якоря.
Розгляньмо, яке призначення джерела струму в електричному ланцюгу. Дізнаємося, які ще джерела струму існують.
Електричний ланцюг: електричний струм, сила струму, джерело струму
Електричний ланцюг складається з джерела струму, яке разом з іншими об'єктами створює шлях для струму. А поняття ЕДС, струму і напруги розкривають електромагнітні процеси, що протікають при цьому.
Найпростіший електричний ланцюг складається з джерела струму (батареї, гальванічного елемента, генератора і так далі), енергоспоживачів (електронагрівальних приладів, електричних двигунів та іншого), а також проводів, що з'єднують затисні джерела напруги і споживача.
Електричний ланцюг має внутрішній (джерело електроенергії) і зовнішній (дроти, вимикачі та рубильники, прилади для вимірювання) частини.
Вона буде працювати і мати позитивне значення тільки в тому випадку, якщо забезпечений замкнутий ланцюг. Будь-який розрив стає причиною припинення протікання струму.
Електричний ланцюг складається з джерела струму у вигляді гальванічних елементів, електроакумуляторів, електромеханічних і термоелектричних генераторів, фотоелементів і так далі.
В якості електричних приймачів виступають електричні двигуни, які перетворюють енергію в механічну, освітлювальні та нагрівальні прилади, установки електролізні і так далі.
Допоміжним обладнанням є апарати, що служать для включення і вимикання, вимірювальні прилади та захисні механізми.
Всі компоненти поділяються на:
- активні (де електричний ланцюг складається з джерела струму ЕДС, електричних двигунів, акумуляторів і так далі);
- пасивні (до яких належать електричні приймачі та сполучна проводка).
Ланцюг може бути також:
- лінійною, де опір елемента завжди характеризується прямою лінією;
- нелінійної, де опір залежить від напруги або струму.
Ось найпростіша схема, де в ланцюг включені джерело струму, ключ, електрична лампа, реостат.
Незважаючи на повсюдне широке поширення подібних технічних пристроїв, особливо останнім часом люди все більше задаються питаннями про встановлення альтернативних джерел енергії.
Різноманітність джерел електричної енергії
Які джерела електричного струму ще існують? Це далеко не тільки сонце, вітер, земля і припливи. Вони вже стали так званими офіційними альтернативними джерелами електроенергії.
Треба сказати, що альтернативних джерел існує ціла безліч. Вони не поширені, тому що поки не є практичними і зручними. Але, хто знає, можливо, майбутнє буде якраз за ними.
Отже, електричну енергію можливо отримувати з солоної води. У Норвегії вже створена електростанція, що застосовує цю технологію.
Електричні станції можуть працювати також на паливних елементах з твердооксидним електролітом.
Відомі п'єзоелектричні генератори, які отримують енергію завдяки кінетичній енергії (вже існують з такою технологією пішохідні доріжки, лежачі поліцейські, турнікети і навіть танцполи).
Є й наногенератори, які спрямовані на перетворення енергії в самому тілі людини в електричну.
А що ви скажете про водорості, якими опалюють будинки, футбольні мечі, що генерують електричну енергію, велосипеди, здатні заряджати гаджети, і навіть дрібно нарізаний папір, який використовується як джерело струму?
Величезні перспективи, звичайно, належать освоєнню вулканічної енергії.
Все це є реаліями сьогоднішнього дня, над якими працюють вчені. Цілком можливо, що деякі з них вже зовсім скоро стануть абсолютно звичним явищем, подібно до електрики в будинках сьогодні.
А може, хтось розкриє секрети вченого Ніколи Тесла, і людство зможе легко отримувати електроенергію з ефіру?
