Электрический ток

Энергия Земли

Издавна люди знают о стихийных  проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно  превышает мощность самых крупных  энергетических установок, созданных  руками человека. Правда, о непосредственном  использовании   энергии  вулканических извержений говорить не приходится, нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию.

Энергия Земли пригодна не только для отопления помещений, как  это происходит в Исландии, но и  для получения электроэнергии. Уже  давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще  маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке  Лардерелло. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины-360 тысяч киловатт.

Эффективное использование  электроэнергии

Использование электроэнергии в различных областях науки

ХХ век стал веком, когда наука  вторгается во все сферы жизни  общества: экономику, политику, культуру, образование и т.д. Естественно, что  наука непосредственно влияет на развитие энергетики и сферу применения электроэнергии. С одной стороны  наука способствует расширению сферы  применения электрической   энергии  и тем самым увеличивает ее потребление, но с другой стороны в эпоху, когда неограниченное  использование  невозобновляемых энергетических ресурсов несет опасность для будущих поколений, актуальными задачами науки становятся задачи разработки энергосберегающих технологий и внедрение их в жизнь.

Рассмотрим эти вопросы на конкретных примерах. Около 80% прироста ВВП (внутреннего  валового продукта) развитых стран  достигается за счет технических  инноваций, основная часть которых  связана с использованием электроэнергии. Все новое в промышленность, сельское хозяйство и быт приходит к  нам благодаря новым разработкам  в различных отраслях науки.

Но наука не только использует электроэнергию в своей теоретической и экспериментальной  областях, научные идеи постоянно  возникают в традиционной области  физики, связанной с получением и  передачей электроэнергии. Ученые, например, пытаются создать электрические генераторы без вращающихся частей. В обычных электродвигателях к ротору приходится подводить постоянный ток, чтобы возникла "магнитная сила". К электромагниту, "работающему ротором" (скорость его вращения достигает трех тысяч оборотов в минуту) электрический ток приходится подводить через проводящие угольные щетки и кольца, которые трутся друг о друга и легко изнашиваются. У физиков родилась мысль заменить ротор струей раскаленных газов, плазменной струей, в которой много свободных электронов и ионов. Если пропустить такую струю между полюсами сильного магнита, то по закону электромагнитной индукции в ней возникнет электрический ток - ведь струя движется. Электроды, с помощью которых должен выводится ток из раскаленной струи, могут быть неподвижными, в отличие от угольных щеток обычных электрических установок. Новый тип электрической машины получил название магнитогидродинамического генератора.

В середине ХХ столетия ученые создали  оригинальный электрохимический генератор, получивший название топливного элемента. К электродным пластинкам топливного элемента подводится два газа - водород  и кислород. На платиновых электродах газы отдают электроны во внешнюю  электрическую цепь, становятся ионами и, соединяясь, превращаются в воду. Из газового топлива получается сразу  и электроэнергия и вода. Удобный, бесшумный и чистый источник тока для дальних путешествий, например в космос, где особенно нужны оба  продукта топливного элемента.

Другой оригинальный способ получения  электроэнергии, получивший распространение  в последнее время, заключается  в преобразовании солнечной  энергии  в электрическую  "напрямую" - с помощью фотоэлектрических установок (солнечных батарей). С ними связано появление "солнечных домов", "солнечных теплиц", "солнечных ферм". Такие солнечные батареи используются и в космосе для обеспечения электроэнергией космических кораблей и станций.

Электроэнергия в производстве

Современное общество невозможно представить  без электрификации производственной деятельности. Уже в конце 80-х  годов более 1/3 всего потребления  энергии в мире осуществлялось в  виде  электрической   энергии . К началу следующего века эта доля может увеличиться до 1/2. Такой рост потребления электроэнергии прежде всего связан с ростом ее потребления в промышленности. Основная часть промышленных предприятий работает на  электрической  энергии . Высокое потребление электроэнергии характерно для таких энергоемких отраслей, как металлургия, алюминиевая и машиностроительная промышленность.

При этом встает проблема эффективного  использования  этой  энергии . При передаче электроэнергии на большие расстояния, от производителя до потребителя, потери на тепло вдоль линии передачи растут пропорционально квадрату тока, т.е. если ток удваивается, то тепловые потери увеличиваются в 4 раза. Поэтому, желательно, чтобы ток в линиях был мал. Для этого повышают напряжение на линии передач. Электроэнергия передается по линиям, где напряжение достигает сотен тысяч вольт. Возле городов, получающих энергию от линий передач, это напряжение с помощью понижающего трансформатора доводят до нескольких тысяч вольт. В самом же городе на подстанциях напряжение понижается до 220 вольт.

Наша страна занимает большую территорию, почти 12 часовых поясов. А это  значит, что если в одних регионах потребление электроэнергии максимально, то в других уже окончен рабочий  день и потребление снижается. Для  рационального использования электроэнергии вырабатываемой электростанциями, они  объединены в электроэнергетические  системы отдельных районов: европейской  части, Сибири, Урала, Дальнего Востока и др. Такое объединение позволяет эффективней использовать электроэнергию согласовывая работу отдельных электростанций. Сейчас различные энергосистемы объединены в единую энергетическую систему России.

Следующая возможность эффективного использования - снижение энергозатрат электроэнергии с помощью энергосберегающих технологий и современного оборудования, потребляющего минимальное ее количество. Таким примером может служить сталеплавильное производство. Если в 60-е годы основным методом выплавки стали был мартеновский способ (72% всей выплавки), то в 90-е годы эта технология выплавки заменена более эффективными методами: кислородно-конверторным и электросталеплавильным.

Применение электричества  в медицине и биологии. 

С течением времени областей применения электричества становится всё больше. Становится популярным применение электричества  и в химии, начало которому положил  Фарадей.

Перемещение вещества - движение зарядо-носителей - нашло одно из первых своих применений в медицине для ввода соответствующих лекарственных соединений в тело человека. Суть метода состоит в следующем: нужными лекарственными соединениями пропитывается марля или любая другая ткань, которая служит прокладкой между электродами и телом человека; она располагается на участке тела подлежащему лечению. Электроды подключаются к источнику постоянного тока. Метод подобного ввода лекарственных соединений впервые применён во второй половине XIX века, широко распространён и сейчас. Он носит название электрофореза или ионофореза.

Последовало ещё одно, имеющее огромную важность для практической медицины открытие в области электортехники. 22 Августа 1879 года английский ученый Крукс сообщил о своих исследованиях катодных лучей, о которых в то время стало известно следующее:

При пропускании тока высокого напряжения через трубку с очень сильно разряженным  газом из катода вырывается поток  частичек, несущихся с огромной скоростью.

Эти частички движутся строго прямолинейно.

Эта лучистая энергия может производить  механическое действие. Например, вращать  маленькую вертушку, поставленную на её пути.

Лучистая энергия отклоняется  магнитом.

В местах, на которое падает лучистая материя, развивается тепло. Если катоду придать форму вогнутого зеркала, то в фокусе этого зеркала могут  быть расплавлены даже такие тугоплавкие  материалы, как, например, сплав иридия и платины.

Катодные лучи - поток материальных телец меньше атома, а именно частиц отрицательного электричества.

Таковы первые шаги в преддверии нового крупнейшего открытия, сделанного Вильгельмом Конрадом Рентгеном.

Рентген обнаружил принципиально  иной источник освещения, названный  Х-лучами. Позже эти лучи получили название рентгеновских. Сообщение Рентгена вызвало сенсацию. Во всех странах мира множество лабораторий начали воспроизводить установку Рентгена, повторять и развивать его исследования. Особый интерес вызвало это открытие у врачей. Физические лаборатории, где создавалась аппаратура, используемая Рентгеном для получения Х-лучей, атаковались врачами и их пациентами, подозревавшими, что в них находятся когда-то проглоченные иголки, пуговицы и т.д. История медицины до этого не знала столь быстрой реализации открытий в области электричества, как это случилось с новым диагностическим средством - рентгеновскими лучами.

Заинтересовались рентгеновскими лучами и в России. Еще не было официальных научных публикаций, отзывов на них, точных данных об аппаратуре, лишь появилось краткое сообщение  о докладе Рентгена, а под Петербургом, в Кронштадте, изобретатель радио  Александр Степанович Попов уже  приступает к созданию первого отечественного рентгеновского аппарата. Об этом факте малоизвестно. О роли А. С. Попова в разработке первых отечественных рентгеновских аппаратов, их внедрении, пожалуй, впервые стало известно из книги Ф. Вейткова.

Новые достижения электротехники соответственно расширили возможности исследования “живого” электричества. Маттеучи, применив созданный к тому времени гальванометр, доказал, что при жизнедеятельности мышц возникает электрический потенциал. Разрезав мышцу поперёк волокон, он соединил её с одним из полюсов гальванометра, а продольную поверхность мышцы соединил с другим полюсом и получил потенциал в пределах 10-80 мВ. Значение потенциала обусловлено видом мышц. По утверждению Маттеучи, биоток течёт от продольной поверхности к поперечному разрезу, и поперечный разрез является электроотрицательным. Этот любопытный факт был подтверждён опытами над различными животными - черепахами, кроликами и птицами, проводимыми рядом исследователей, из которых следует выделить немецких физиологов Дюбуа-Реймона, Германа и нашего соотечественника В. Ю. Чаговца. Пелтье в 1834 году опубликовал работу, в которой излагались результаты исследования взаимодействия биопотенциалов с протекающим по живой ткани постоянным током. Оказалось, что полярность биопотенциалов при этом меняется. Изменяется и амплитуда.

Одновременно наблюдалось и  изменение физиологических функций.

В лабораториях физиологов, биологов, медиков появляются электроизмерительные приборы, обладающие достаточной чувствительностью  и соответствующими пределами измерений. Накапливается большой и разносторонний экспериментальный материал.

5.Последние достижения

Управление атмосферными осадками с помощью электричества.

А ведь недалеко то время, когда мы будем полностью регулировать выпадение атмосферных осадков, и это даст возможность извлекать  неограниченное количество воды из океанов, получать любое желаемое количество энергии и совершенно преобразить  земной шар, применяя ирригацию и  используя методы интенсивного земледелия. Едва ли возможно представить себе нечто более значительное, что может быть достигнуто человечеством посредством электричества.

Существующие в настоящее время  ограничения в передаче энергии  на расстояние будут преодолены двумя  способами: путем применения подземных, энергетически изолированных проводников  и путем внедрения беспроводной технологии. Первый проект я предлагал несколько лет тому назад. В основу был положен принцип передачи водорода по полому проводнику при очень низкой температуре окружающего вещества и обеспечения, таким образом, идеальной изоляции, косвенно используя электрическую энергию. Таким образом, энергия, полученная от водопада, может передаваться на расстояния в сотни миль при максимальной экономичности и небольших затратах. Это новшество, несомненно, в значительной степени расширит область применения электричества. Что касается беспроводного способа, могу сказать, что теперь мы имеем средство экономичной передачи энергии в любом желаемом количестве и на расстояния, ограниченные лишь размерами планеты. В связи с утверждениями некоторых введенных в заблуждение экспертов, что в беспроводной установке, которую я создал, энергия передатчика рассеивается по всем направлениям, я хотел бы с особой категоричностью заявить, что ничего подобного не происходит. Энергия идет только туда, где она требуется, и никуда больше.

Когда эти прогрессивные идеи будут  воплощены, мы в полной мере ощутим преимущества энергии воды, и она  станет нашим главным источником электроснабжения для бытовых, общественных и других нужд в процессе мирного созидания и в ходе военных действий.

Экономия энергии в освещении и электродвигателях.

Внедрение различных новейших устройств, которые можно подключать к цепи в нужное время с целью выравнивания нагрузок и увеличения доходов от электростанций, открывает для крупных  подразделений, ведающих электрическим  освещением и энергоснабжением, безграничные возможности. я сам видел несколько приборов такого рода. Наиболее значительным из них является, вероятно, электрический ледогенератор, который полностью избавлен от применения опасных и во всех отношениях нежелательных химикатов. Новое устройство не потребует абсолютно никакого ухода и будет чрезвычайно экономичным в эксплуатации, так что процесс охлаждения будет весьма недорогим и удобным для применения в каждом доме.

Построен занятный фонтан, работающий от электричества. Такого рода фонтаны  будут, весьма вероятно, устанавливать  повсеместно; это будет необычная  и доставляющая удовольствие достопримечательность  на площадях, в парках, отелях и жилых  кварталах.

Планируется создание многоцелевых бытовых  приборов для приготовления пищи, и в этой сфере имеется большой  спрос на практические разработки и  предложения. То же самое можно утверждать в отношении электрических вывесок  и других привлекательных средств в рекламе, которые могут работать на электричестве. Некоторые из полезных проектов, которые можно осуществить, используя электрические токи, удивительно интересны и вполне могут быть представлены на выставках. Нет сомнений, что в этом направлении можно сделать многое. Театры, общественные здания и жилые дома нуждаются в огромном количестве приспособлений для создания нормальной среды обитания, тем самым открываются широкие перспективы для искусного и прагматичного изобретателя.

Огромной и абсолютно неисследованной  областью является использование электричества  для приведения в движение судов. Ведущая электрическая компания США оснастила большое судно  быстроходными гидротурбинами и  электрическими моторами и добилась поразительного успеха. Случаи применения таких новшеств будут множиться в нарастающем темпе, ибо преимущества электрического привода очевидны теперь для всех. В этом контексте гироскопический прибор будет, вероятно, играть важную роль, так как его широкое освоение на судах обязательно осуществится. Пока еще очень мало сделано для внедрения электрического привода в различных отраслях экономики и производства, а перспективы здесь безграничны.