Электрический ток

Рассматриваемый эффект, однако, нуждается  в большем изучении, так как, если прохождение тока вызывает химическую реакцию, то возможен и обратный процесс  – химическая реакция может генерировать электрический ток. Достаточно устроить электролиз в резервуаре, и мы получим  электрическую батарейку или  аккумуляторную батарею для автомобилей.

Магнитный эффект: в медной перемычке, через которую пропускают ток, возникает магнитное поле, благодаря действию которого отклоняется стрелка компаса. Этот эффект так же имеет весьма широкое поле применения: он позволил разработать электродвигатель, трансформатор, звонок, электрический замок для дверей вашего дома и большое количество различных автоматов.

Магнитный эффект имеет и обратное действие. Например, в результате механического  вращения электродвигателя генерируется ток. Таким образом были созданы специальные генераторы (например, генератор переменного тока для автомобилей или генератор, использующий энергию ветра), и значительная часть электрического тока, который проходит через ваш счетчик, генерирована на основе этого принципа.

И чтобы завершить этот опыт: если мы поменяем местами провода генератора, то можно констатировать, что в  растворе осадок будет откладываться на другом электроде и что стрелка компаса будет поворачиваться в противоположном направлении. Только лампочка будет реагировать так же, как и раньше. Отсюда можно сделать вывод о том, что изменение направления движения тока влияет на некоторые его эффекты.

Физические величины

Теперь вспомним характеризующие  электрический ток, физические величины.

Электрический ток может быть двух видов:

1) постоянный  ток, который получают химическим способом (батарейки и аккумуляторы), как в рассмотренном примере, или генерируемый проводниками, чувствительными к свету (солнечные панели). Он поляризован (полюс «+» и полюс «-») и течет в определенном направлении, указанном ранее;

2) переменный  ток, вырабатываемый благодаря магнитному эффекту (электромагнитной индукции): это тот ток, который мы имеем в наших домах. Он не имеет полюсов («+» и «-»); он их меняет несколько раз за секунду. Это явление (смена полярностей) называется частотой, которая выражается в герцах (Гц). У нас в сети используется переменный ток частотой 50 Гц (это значит, что перемена направления происходит 50 раз в секунду). Два провода, которые идут от ввода линии в дом, называются фазным и нулевым проводами, так как здесь нет полюсов «+» и «-».

Разность потенциалов (обозначение U). Поскольку генератор действует на электроны подобно водяному насосу, существует разность на его клеммах, которую называют разностью потенциалов и которую выражают в вольтах (обозначение В). Если вы измерите соответствующим прибором (вольтметром) разность потенциалов на входном и выходном соединении электроприбора (которое можно рассматривать как клеммы генератора), то увидите на нем показания между 230 и 240 В. Обычно эту величину называют напряжением.

Сила тока (обозначается I). При подключении лампочки к генератору (см. рис.1.), создается электрическая цепь, проходящая через лампочку. Поток электронов течет через провода и через нить накаливания лампочки. Сила этого потока (тока) выражается в амперах (символ А).

Сопротивлением (обозначается R) называют физическую величину, характеризующую свойства материала (проводника), который позволяет электроэнергии преобразовываться в тепловую энергию (например, вольфрамовая нить лампы накаливания). При определенном напряжении сила тока пропорционально связана с сопротивлением.

Существует физический закон, который  определяет связь между напряжением, силой тока и сопротивлением проводника, называемый законом Ома, формула  которого U=R x I.

Сопротивление выражается в омах (обозначается Ом). Можно сделать вывод, что при постоянном напряжении, сопротивление возрастает, если сила тока уменьшается. И наоборот: если уменьшается сопротивление, то сила тока возрастает.

При установке в цепь сопротивления, оно может быть последовательным либо параллельным. В зависимости  от этого, получают различные результаты.

При последовательном соединении сопротивления дополняют друг друга. Общее сопротивление в данном случае равно сумме всех сопротивлений. Чем больше сопротивлений ставят в цепь, тем меньше сила тока.

При параллельном соединении сопротивление подсчитывают по формуле, указанной на рисунке 3. Общее сопротивление оказывается ниже по величине самого малого из сопротивлений. В этом случае, чем больше сопротивлений ставят в цепь, тем больше возрастает сила тока. То же происходит, когда подключают несколько приборов к одному вводу.Мощность (обозначается Р) выражается в ваттах (обозначается Вт). Мощность определяет количество энергии, потребляемой, подключенным к розетке прибором. Мощность вычисляют по формуле Р = U * I, то есть путем умножения напряжения на силу тока. Таким образом, если Вам известна мощность прибора (информацию о мощности, а также о напряжении для подключения вы легко найдете на корпусе любого электроприбора), то вы можете определить потребляемую им силу тока: I = P / U.

Большие величины мощности выражаются в киловаттах (обозначение кВт). Киловатт равен 1 000 ватт. Мегаватт (МВт) составляет 1 000 000 Вт.

Для переменного тока мощность может  также выражаться в вольт-амперах (В*А) либо в киловольт-амперах (кВ*А). 1 кВ*А равен 1 кВт, если подсоединенный прибор представляет собой чисто активное сопротивление.

Расход энергии (обозначение кВт*ч) вычисляется путем умножения мощности прибора (кВт) на длительность его использования (в часах). В том же примере, если мы оставим лампу включенной в течении трех часов, расход электроэнергии составит:

100 Вт = 0,100 кВт

0,100 кВт х 3 = 0,300 кВт*ч

Эта величина расхода электроэнергии является именно той самой величиной, которую вы можете увидеть на циферблате своего электросчетчика. В электричестве  существует еще много других величин, но можно ограничится этими несколькими базовыми величинами для интересующей нас темы – монтажа электропроводки.

 

4.Электричество в современном мире

Производство и  использование   электрической   энергии 

Типы электростанций

Тепловая электростанция (ТЭС), электростанция, вырабатывающая  электрическую   энергию  в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в конце 19 века и получили преимущественное распространение. В середине 70-х годов 20 века ТЭС -- основной вид электрической станций.

На тепловых электростанциях химическая энергия топлива преобразуется  сначала в механическую, а затем в электрическую. Топливом для такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут.

Тепловые электрические станции  подразделяют на конденсационные (КЭС), предназначенные для выработки только  электрической   энергии , итеплоэлектроцентрали (ТЭЦ), производящие кроме  электрической  тепловую  энергию  в виде горячей воды и пара. Крупные КЭС районного значения получили название государственных районных электростанций (ГРЭС).

Гидроэлектрическая станция (ГЭС), комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в  электрическую  энергию . ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, преобразуется в  электрическую   энергию .

Напор ГЭС создается концентрацией  падения реки на используемом участке  плотиной, либо деривацией, либо плотиной и деривацией совместно. Основное энергетическое оборудование ГЭС размещается в здании ГЭС: в машинном зале электростанции -- гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля; в центральном посту управления -- пульт оператора-диспетчера или автооператор гидроэлектростанции. Повышающая трансформаторная подстанция размещается как внутри здания ГЭС, так и в отдельных зданиях или на открытых площадках. Распределительные устройства зачастую располагаются на открытой площадке..

По установленной мощности (в МВт) различают ГЭС мощные (св. 250), средние (до 25) и малые (до 5). Мощность ГЭС зависит от напора (разности уровней верхнего и нижнего бьефа), расхода воды, используемого в гидротурбинах, и кпд гидроагрегата. По ряду причин (вследствие, например, сезонных изменений уровня воды в водоёмах, непостоянства нагрузки энергосистемы, ремонта гидроагрегатов или гидротехнических сооружений и т. п.) напор и расход воды непрерывно меняются, а, кроме того, меняется расход при регулировании мощности ГЭС. Различают годичный, недельный и суточный циклы режима работы ГЭС.

По максимально используемому  напору ГЭС делятся на высоконапорные (более 60 м), средненапорные (от 25 до 60 м) и низконапорные (от 3 до 25 м). На равнинных реках напоры редко превышают 100 м, в горных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м и более, а с помощью деривации -- до 1500 м. Подразделение ГЭС по используемому напору имеет приблизительный, условный характер.

По схеме использования водных ресурсов и концентрации напоров  ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные с напорной и безнапорной деривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные.

Атомная электростанция (АЭС), электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем (в основе ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu). Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического, топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Это открывает широкие перспективы для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе. Кроме того, необходимо учитывать всё увеличивающийся объём потребления угля и нефти для технологических целей мировой химической промышленности, которая становится серьёзным конкурентом тепловых электростанций. Несмотря на открытие новых месторождений органического топлива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция к относительному, увеличению его стоимости. Это создаёт наиболее тяжёлые условия для стран, имеющих ограниченные запасы топлива органического происхождения. Очевидна необходимость быстрейшего развития атомной энергетики, которая уже занимает заметное место в энергетическом балансе ряда промышленных стран мира.

Наиболее часто на АЭС применяют 4 типа реакторов на тепловых нейтронах:

1) водо-водяные с обычной водой  в качестве замедлителя и теплоносителя;

2) графитоводные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем;

3) тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя;

4) граффито - газовые с газовым  теплоносителем и графитовым  замедлителем.

Выбор преимущественно применяемого типа реактора определяется главным  образом накопленным опытом в  реактороносителе, а также наличием необходимого промышленного оборудования, сырьевых запасов и т. д.

АЭС, являющиеся наиболее современным  видом электростанций, имеют ряд  существенных преимуществ перед  другими видами электростанций: при  нормальных условиях функционирования они абсолютно не загрязняют окружающую среду, не требуют привязки к источнику  сырья и соответственно могут  быть размещены практически везде. Новые энергоблоки имеют мощность практически равную мощности средней  ГЭС, однако коэффициент использования  установленной мощности на АЭС (80%) значительно  превышает этот показатель у ГЭС  или ТЭС.

Значительных недостатков АЭС  при нормальных условиях функционирования практически не имеют. Однако нельзя не заметить опасность АЭС при  возможных форс-мажорных обстоятельствах: землетрясениях, ураганах, и т. п. - здесь  старые модели энергоблоков представляют потенциальную опасность радиационного  заражения территорий из-за неконтролируемого  перегрева реактора.

Альтернативные источники  энергии

Энергия солнца

В последнее время интерес к  проблеме  использования  солнечной  энергии  резко возрос, ведь потенциальные возможности энергетики, основанной на использование  непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный  металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются  трубы с циркулирующей в ней  жидкостью. Нагретая за счет солнечной  энергии , поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования .

Солнечная энергетика относится к  наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное  использование  солнечной  энергии  влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.

Пока еще  электрическая   энергия , рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Ветровая энергия

Огромна энергия движущихся воздушных  масс. Запасы энергии ветра более  чем в сто раз превышают  запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле  дуют ветры. Климатические условия  позволяют развивать ветроэнергетику  на огромной территории.

Но в наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. Потому к созданию конструкций ветроколеса-сердца любой ветроэнергетической установки привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.