Vyrábět elektřinu, ale co. Odkud pochází elektřina? Zdroje elektřiny. Novinka na fóru

Generátor přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii otáčením drátové cívky v magnetickém poli. Elektrický proud vzniká také tehdy, když siločáry pohybujícího se magnetu protínají závity drátové cívky (obrázek vpravo). Elektrony (modré kuličky) se pohybují směrem ke kladnému pólu magnetu a elektrický proud teče z kladného pólu k zápornému pólu. Dokud siločáry magnetického pole protínají cívku (vodič), indukuje se ve vodiči elektrický proud.

Podobný princip funguje také při pohybu drátěného rámu vzhledem k magnetu (zcela vpravo), tedy když rám protíná magnetické siločáry. Indukovaný elektrický proud protéká tak, že jeho pole magnet odpuzuje, když se k němu rám přibližuje, a přitahuje, když se rám vzdaluje. Pokaždé, když rám změní orientaci vzhledem k pólům magnetu, elektrický proud také obrátí svůj směr. Dokud zdroj mechanické energie otáčí vodičem (nebo magnetickým polem), bude generátor produkovat střídavý elektrický proud.

Princip činnosti alternátoru

Nejjednodušší alternátor se skládá z drátěného rámu rotujícího mezi póly stacionárního magnetu. Každý konec rámu je připojen ke sběracímu kroužku posuvnému na elektricky vodivém uhlíkovém kartáčku (obrázek nad textem). Indukovaný elektrický proud teče do vnitřního sběracího kroužku, když polovina k němu připojeného rámu prochází severním pólem magnetu, a naopak do vnějšího sběrného kroužku, když druhá polovina rámu prochází kolem severního pólu.

Třífázový alternátor

Jedním z cenově nejefektivnějších způsobů generování vysokého střídavého proudu je použití jediného magnetu rotujícího kolem více vinutí. V typickém třífázovém generátoru jsou tři cívky umístěny ve stejné vzdálenosti od osy magnetu. Každá cívka produkuje střídavý proud, když kolem ní prochází pól magnetu (obrázek vpravo).

Změna směru elektrického proudu

Když je magnet zatlačen do drátové cívky, indukuje v ní elektrický proud. Tento proud způsobí vychýlení jehly galvanometru z nulové polohy. Po vyjmutí magnetu z cívky elektrický proud změní svůj směr na opačný a střelka galvanometru se vychýlí z nulové polohy opačným směrem.

Střídavý proud

Magnet nebude indukovat elektrický proud, dokud jeho siločáry nezačnou procházet drátěnou smyčkou. Při zatlačení pólu magnetu do drátěné smyčky se v ní indukuje elektrický proud. Pokud se magnet přestane pohybovat, zastaví se i elektrický proud (modré šipky) (uprostřed diagram). Po vyjmutí magnetu z drátěné smyčky se v něm indukuje elektrický proud, který protéká opačným směrem.

Toto je uspořádaný pohyb určitých nabitých částic. Aby bylo možné kompetentně využít plný potenciál elektřiny, je nutné jasně porozumět všem principům zařízení a provozu elektrického proudu. Pojďme tedy zjistit, co je to práce a aktuální síla.

Odkud pochází elektrický proud?

Přes zdánlivou jednoduchost otázky na ni málokdo dokáže dát srozumitelnou odpověď. Samozřejmě, že v dnešní době, kdy se technologie vyvíjí neuvěřitelnou rychlostí, člověk nijak zvlášť nepřemýšlí o tak elementárních věcech, jako je princip fungování elektrického proudu. Odkud pochází elektřina? Mnozí jistě odpoví „No, ze zásuvky, samozřejmě“ nebo jen pokrčí rameny. Mezitím je velmi důležité pochopit, jak proud funguje. To by měli vědět nejen vědci, ale i lidé, kteří nejsou nijak spjati se světem vědy, pro jejich obecně všestranný rozvoj. Ale umět správně používat princip současného fungování není pro každého.

Pro začátek byste tedy měli pochopit, že elektřina nevzniká odnikud: je vyráběna speciálními generátory, které jsou umístěny v různých elektrárnách. Pára získaná ohříváním vody uhlím nebo olejem díky práci při otáčení lopatek turbín generuje energii, která se následně pomocí generátoru přeměňuje na elektřinu. Generátor je velmi jednoduchý: ve středu zařízení je obrovský a velmi silný magnet, který způsobuje pohyb elektrických nábojů po měděných drátech.

Jak se elektřina dostává do našich domovů?

Po získání určitého množství elektrického proudu pomocí energie (tepelné nebo jaderné) jej lze dodávat lidem. Taková dodávka elektřiny funguje následovně: aby se elektřina úspěšně dostala do všech bytů a podniků, musí být „tlačena“. A k tomu musíte zvýšit sílu, která to udělá. Říká se tomu napětí elektrického proudu. Princip činnosti je následující: proud prochází transformátorem, což zvyšuje jeho napětí. Dále elektrický proud protéká kabely instalovanými hluboko pod zemí nebo ve výšce (protože napětí někdy dosahuje 10 000 voltů, což je pro člověka smrtelné). Když proud dosáhne svého cíle, musí znovu projít transformátorem, který nyní sníží jeho napětí. Poté prochází dráty k instalovaným štítům v bytových domech nebo jiných budovách.

Elektřinu vedenou dráty lze využít díky systému zásuvek, které k nim připojují domácí spotřebiče. Ve zdech jsou vedeny další dráty, kterými protéká elektrický proud a díky němu funguje osvětlení a všechny spotřebiče v domě.

Co je současná práce?

Energie, kterou elektrický proud v sobě nese, se časem přemění na světlo nebo teplo. Když například rozsvítíme lampu, elektrická forma energie se přemění na světlo.

Řečeno přístupným jazykem, dílem proudu je akce, kterou elektřina sama vyrobila. Navíc se dá velmi snadno vypočítat podle vzorce. Na základě zákona zachování energie můžeme usoudit, že elektrická energie nezmizela, zcela nebo částečně se změnila v jinou formu, přičemž odevzdala určité množství tepla. Toto teplo je práce proudu, když prochází vodičem a ohřívá ho (dochází k výměně tepla). Takto vypadá vzorec Joule-Lenz: A \u003d Q \u003d U * I * t (práce se rovná množství tepla nebo součinu aktuálního výkonu a doby, během které protékala vodičem).

Co znamená stejnosměrný proud?

Elektrický proud je dvojího druhu: střídavý a stejnosměrný. Liší se tím, že druhý nemění svůj směr, má dvě svorky (kladné „+“ a záporné „-“) a začíná svůj pohyb vždy od „+“. A střídavý proud má dvě svorky - fázi a nulu. Kvůli přítomnosti jedné fáze na konci vodiče se také nazývá jednofázový.

Principy zařízení jednofázového střídavého a stejnosměrného elektrického proudu jsou zcela odlišné: na rozdíl od stejnosměrného mění střídavý proud jak svůj směr (tvoří tok jak z fáze k nule, tak z nuly do fáze), a svou velikost. . Takže například střídavý proud periodicky mění hodnotu svého náboje. Ukazuje se, že při frekvenci 50 Hz (50 kmitů za sekundu) mění elektrony směr svého pohybu přesně 100krát.

Kde se používá stejnosměrný proud?

Stejnosměrný elektrický proud má některé vlastnosti. Vzhledem k tomu, že proudí striktně jedním směrem, je obtížnější jej transformovat. Za zdroje stejnosměrného proudu lze považovat následující prvky:

baterie (alkalické i kyselé);
konvenční baterie používané v malých spotřebičích;
a také různá zařízení, jako jsou převodníky.

DC provoz

Jaké jsou jeho hlavní charakteristiky? Jedná se o práci a aktuální sílu a oba tyto pojmy spolu velmi úzce souvisí. Výkon znamená rychlost práce za jednotku času (za 1 s). Podle Joule-Lenzova zákona zjistíme, že práce stejnosměrného elektrického proudu se rovná součinu síly samotného proudu, napětí a doby, za kterou byla práce elektrického pole dokončena k přenosu nábojů podél dirigent.

Takto vypadá vzorec pro nalezení práce proudu s ohledem na Ohmův zákon odporu ve vodičích: A \u003d I 2 * R * t (práce se rovná druhé mocnině síly proudu vynásobené hodnotou odporu vodiče a ještě jednou vynásobený hodnotou času, po který byla práce vykonána).

Desetkrát denně, zapínáme a vypínáme světlo a používáme domácí spotřebiče, ani nemyslíme na to, odkud se elektřina bere a jakou má povahu. Je samozřejmě jasné, že podle elektrického vedení ( elektrické vedení) pochází z nejbližší elektrárny, ale toto je velmi omezená představa o světě kolem nás. Pokud se ale výroba elektřiny na celém světě zastaví alespoň na pár dní, počet obětí se bude měřit ve stovkách milionů.

Jak vzniká proud?

Z kurzu fyziky víme, že:

Veškerá hmota se skládá z atomů, nejmenších částic.
Elektrony obíhají po oběžné dráze kolem jádra atomu, mají záporný náboj.
Jádro obsahuje kladně nabité protony.
Normálně je tento systém ve stavu rovnováhy.

Ale pokud alespoň jeden atom ztratí pouze jeden elektron:

Jeho náboj se stává kladným.
Kladně nabitý atom začne přitahovat elektron k sobě kvůli rozdílu v nábojích.
Abyste získali chybějící elektron pro sebe, bude ho třeba „utrhnout“ z něčí oběžné dráhy.
Výsledkem je, že jeden další atom bude kladně nabitý a vše se bude opakovat, počínaje prvním bodem.
Taková cykličnost povede k vytvoření elektrického obvodu a lineární distribuci proudu.

Takže z hlediska jaderné fyziky je vše extrémně jednoduché, atom se snaží získat to, co mu nejvíce chybí, a tím spustí reakci .

"Zlatý věk" elektřiny

Člověk si zákony vesmíru přizpůsobil svým potřebám poměrně nedávno. A stalo se to asi před dvěma stoletími, když vynálezce jmenoval Volt vyvinul první baterii schopnou udržet nabití dostatečného výkonu po dlouhou dobu.

Pokusy využít proud ve svůj prospěch mají dávnou historii. Archeologické vykopávky prokázaly, že i v římských svatyních a poté v prvních křesťanských kostelech existovaly řemeslné „baterie“ vyrobené z mědi, které dávaly minimální napětí. Takový systém byl připojen k oltáři nebo jeho ohradě, a jakmile se věřící dotkl konstrukce, okamžitě obdržel „ božská jiskra". Spíše jde o vynález jednoho řemeslníka než o rozšířenou praxi, ale skutečnost je každopádně kuriózní.

Stalo se dvacáté století mocenský boom:

Objevily se nejen nové typy generátorů a baterií, ale byly vyvinuty i unikátní koncepty výroby právě této energie.
Již několik desetiletí elektrické spotřebiče pevně vstoupily do života každého člověka na planetě.
Nezůstaly žádné země, kromě těch nejméně rozvinutých, kde elektrárny a držel elektrické vedení.
Veškerý další pokrok byl založen na možnostech elektřiny a zařízení, která z ní fungují.
Éra komputerizace učinila člověka závislým na proudu v pravém slova smyslu.

Jak získat elektřinu?

Představovat si člověka jako narkomana, který pravidelně potřebuje „životodárnou dávku elektřiny“, je sice trochu naivní, ale zkuste svůj domov úplně deenergizovat a žít alespoň den v klidu. Zoufalství vás může přimět vzpomenout si na původní způsoby získávání proudu. V praxi to nikomu nepomůže, ale možná pár voltů zachrání život nebo pomůže udělat dojem na dítě:

Vybitá baterie telefon lze otřít o oblečení, postačí džíny nebo vlněný svetr. Statická elektřina nevydrží dlouho, ale je to alespoň něco.
Pokud je poblíž mořská voda, můžete nalít do dvou sklenic nebo sklenic, spojit je měděným drátkem, po obalení obou konců fólií. K tomu všemu budete samozřejmě kromě slané vody potřebovat i nádoby, měď a alobal. Není to nejlepší volba pro extrémní situace.
Mnohem realističtější železný hřebík a malý žesťový nástroj. Jako anoda a katoda by měly být použity dva kusy kovu - hřebík v nejbližším stromě, měď v zemi. Protáhněte mezi nimi libovolnou nit, jednoduchý design dá asi jeden Volt.
V případě použití drahé kovy- zlato a stříbro, bude možné dosáhnout většího napětí.

Jak ušetřit elektřinu?

Důvody pro úsporu elektřiny mohou být různé – touha šetřit životní prostředí, snaha snížit měsíční účty nebo něco jiného. Ale metody jsou vždy stejné:

Pro snížení nákladů není vždy nutné se v něčem výrazně omezovat. Existuje další dobrý tip - odpojte všechny spotřebiče, když je nepoužíváte.

Lednička se samozřejmě nepočítá. I když je zařízení v „pohotovostním“ režimu, spotřebovává určité množství elektřiny. Pokud se ale byť jen na vteřinu zamyslíte, můžete dojít k závěru, že většinu dne nepotřebujete téměř všechna zařízení. A celou tu dobu oni dál spalujte elektřinu .

Moderní technologie směřují také ke snížení celkové úrovně spotřeby elektrické energie. Co alespoň stojí za to energeticky úsporné žárovky, což může snížit náklady na osvětlení místnosti, pětkrát tolik. Rada žít podle „slunečních hodin“ se může zdát divoká a absurdní, ale už dávno je dokázáno, že umělé osvětlení zvyšuje riziko depresí.

Jak se vyrábí elektřina?

Jdeme do vědeckých detailů:

Proud se objevuje v důsledku ztráty elektronu atomem.
Kladně nabitý atom k sobě přitahuje záporně nabité částice.
Jiný atom ztrácí své elektrony z oběžné dráhy a historie se opakuje.
To vysvětluje řízený pohyb proudu a přítomnost vektoru šíření.

Ale obecně elektřinu vyrábějí elektrárny. Buď spalují palivo, nebo využívají energii štěpení atomů, případně dokonce využívají přírodní prvky. Řeč je o solárních panelech, větrných mlýnech a elektrárnách.

Výsledná mechanická nebo tepelná energie se vlivem generátoru přeměňuje na proud. Hromadí se v bateriích a přes elektrické vedení se dostává do každého domu.

Dnes není nutné vědět, odkud elektřina pochází, abyste mohli využívat všech výhod, které poskytuje. Lidé se již dávno vzdálili původní podstatě věcí a pomalu na ni začínají zapomínat.

Video: odkud pochází elektřina?

Toto video názorně ukáže cestu elektřiny z elektrárny k nám, odkud pochází a jak se dostává do našeho domu:

Aby se vyřešil problém omezených fosilních paliv, výzkumníci po celém světě pracují na vytvoření a uvedení do provozu alternativních zdrojů energie. A to mluvíme nejen o známých větrných mlýnech a solárních panelech. Plyn a ropu lze nahradit energií z řas, sopek a lidských kroků. Společnost Recycle vybrala deset nejzajímavějších a nejčistších zdrojů energie budoucnosti.

Jouly z turniketů

Turnikety u vchodu do nádraží projdou denně tisíce lidí. V několika výzkumných centrech světa se najednou objevila myšlenka využít tok lidí jako inovativní generátor energie. Japonská společnost East Japan Railway Company se rozhodla vybavit každý turniket na železničních stanicích generátory. Instalace funguje na vlakovém nádraží v tokijské čtvrti Shibuya: v podlaze pod turnikety jsou zapuštěny piezoelektrické prvky, které generují elektřinu z tlaku a vibrací, které dostávají, když na ně lidé stoupnou.

Další technologie „energetického turniketu“ se již používá v Číně a Nizozemsku. V těchto zemích se inženýři rozhodli nevyužít efektu mačkání piezoelektrických prvků, ale tlačného efektu klik turniketů nebo turniketových dveří. Koncept nizozemské společnosti Boon Edam spočívá v nahrazení standardních dveří u vchodu do obchodních center (které většinou fungují na systém fotobuněk a samy se začnou točit) za dveře, které musí návštěvník zatlačit a vyrábět tak elektřinu.

V nizozemském centru Natuurcafe La Port se takové dveřní generátory již objevily. Každý z nich vyrobí ročně asi 4 600 kilowatthodin energie, což se na první pohled může zdát zanedbatelné, ale je to dobrý příklad alternativní technologie výroby elektřiny.

Moderní život si nelze představit bez elektřiny, tento typ energie lidstvo využívá nejplněji. Ne všichni dospělí jsou však schopni zapamatovat si definici elektrického proudu ze školního kurzu fyziky (jedná se o usměrněný tok elementárních částic s nábojem), jen málokdo chápe, co to je.

Co je elektřina

Přítomnost elektřiny jako jevu je vysvětlena jednou z hlavních vlastností fyzikální hmoty - schopností vlastnit elektrický náboj. Jsou pozitivní a negativní, zatímco předměty s opačnými znaky se k sobě přitahují a „ekvivalentní“ se naopak odpuzují. Pohybující se částice jsou také zdrojem magnetického pole, což opět dokazuje souvislost mezi elektřinou a magnetismem.

Na atomové úrovni lze existenci elektřiny vysvětlit následovně. Molekuly, které tvoří všechna těla, obsahují atomy složené z jader a elektronů, které kolem nich obíhají. Tyto elektrony se mohou za určitých podmínek odtrhnout od „mateřských“ jader a přesunout se na jiné dráhy. Výsledkem je, že některé atomy se stanou "nedostatečnými" elektrony a některé z nich přebývají.

Protože povaha elektronů je taková, že proudí tam, kde chybí, neustálý pohyb elektronů z jedné látky do druhé tvoří elektrický proud (od slova „tok“). Je známo, že elektřina má směr od "mínusového" pólu k "plusovému" pólu. Proto je látka s nedostatkem elektronů považována za kladně nabitou a s přebytkem - záporně a nazývá se "ionty". Pokud mluvíme o kontaktech elektrických vodičů, pak se kladně nabitý nazývá "nula" a záporně - "fáze".

V různých látkách je vzdálenost mezi atomy různá. Pokud jsou velmi malé, elektronové obaly se navzájem doslova dotýkají, takže se elektrony snadno a rychle pohybují z jednoho jádra do druhého a zpět, což vytváří pohyb elektrického proudu. Látky, jako jsou kovy, se nazývají vodiče.

U jiných látek jsou meziatomové vzdálenosti poměrně velké, jedná se tedy o dielektrika, tzn. nevedou elektřinu. V první řadě je to guma.

dodatečné informace. Když jsou elektrony emitovány jádry hmoty a jejich pohybem, vzniká energie, která ohřívá vodič. Tato vlastnost elektřiny se nazývá „výkon“, měří se ve wattech. Také tato energie může být přeměněna na světlo nebo jinou formu.

Pro nepřetržitý tok elektřiny sítí musí být potenciály na koncových bodech vodičů (od elektrického vedení po domovní rozvody) různé.

Historie objevu elektřiny

Co je elektřina, odkud pochází a její další charakteristiky jsou zásadně studovány vědou termodynamiky s příbuznými vědami: kvantovou termodynamikou a elektronikou.

Tvrdit, že jakýkoli vědec vynalezl elektrický proud, by bylo špatné, protože od pradávna se jím zabývalo mnoho výzkumníků a vědců. Samotný pojem „elektřina“ zavedl řecký matematik Thales, toto slovo znamená „jantar“, protože Thalesovi se při pokusech s jantarovou tyčinkou a vlnou podařilo vygenerovat statickou elektřinu a popsat tento jev.

Římský Plinius také studoval elektrické vlastnosti pryskyřice a Aristoteles studoval elektrické úhoře.

V pozdější době první, kdo začal důkladně studovat vlastnosti elektrického proudu, byl V. Gilbert, lékař anglické královny. Německý purkmistr z Magdeburgu O.f Guericke je považován za tvůrce první žárovky ze strouhané sirné kuličky. A velký Newton přinesl důkaz o existenci statické elektřiny.

Na samém počátku 18. století anglický fyzik S. Gray rozdělil látky na vodiče a nevodiče a nizozemský vědec Peter van Mushenbroek vynalezl Leydenskou nádobu schopnou akumulovat elektrický náboj, to znamená, že šlo o první kondenzátor . Americký vědec a politik B. Franklin byl první, kdo odvodil teorii elektřiny ve vědeckých termínech.

Celé 18. století bylo bohaté na objevy v oblasti elektřiny: byla stanovena elektrická podstata blesku, zkonstruováno umělé magnetické pole, existence dvou typů nábojů („plus“ a „minus“) a v důsledku toho , byly odhaleny dva póly (přírodovědec z USA R. Simmer) , Coulomb objevil zákon interakce mezi bodovými elektrickými náboji.

V dalším století byly vynalezeny baterie (italský vědec Volta), oblouková lampa (Angličan Davy) a také prototyp prvního dynama. Rok 1820 je považován za rok zrodu elektrodynamické vědy, udělal to Francouz Ampère, pro který dostal jeho jméno jednotka pro čtení síly elektrického proudu, a Skot Maxwell odvodil světelnou teorii elektromagnetismu. Ruský Lodygin vynalezl žárovku s tyčí vyrobenou z uhlí - předchůdce moderních žárovek. Před více než sto lety vynalezl neonová lampa francouzský vědec Georges Claude.

Dodnes pokračují výzkumy a objevy v oblasti elektřiny, například teorie kvantové elektrodynamiky a interakce slabých elektrických vln. Mezi všemi vědci zabývajícími se studiem elektřiny má zvláštní místo Nikola Tesla - mnoho jeho vynálezů a teorií o tom, jak elektřina funguje, stále není doceněno.

přírodní elektřina

Dlouho se věřilo, že elektřina „sama o sobě“ v přírodě neexistuje. Tuto mylnou představu vyvrátil B. Franklin, který dokázal elektrickou povahu blesku. Byli to oni, podle jedné z verzí vědců, kteří přispěli k syntéze prvních aminokyselin na Zemi.

Elektřina vzniká také uvnitř živých organismů, které generují nervové impulsy zajišťující motorické, dýchací a další životně důležité funkce.

Zajímavý. Mnoho vědců považuje lidské tělo za autonomní elektrický systém, který je vybaven samoregulačními funkcemi.

Vlastní elektřinu mají i zástupci zvířecího světa. Například některé druhy ryb (úhoři, mihule, rejnoci, rybáři a další) jej využívají k ochraně, lovu, hledání potravy a orientaci v podmořském prostoru. Speciální orgán v těle těchto ryb vyrábí elektřinu a akumuluje ji, jako v kondenzátoru, jeho frekvence je stovky hertzů a napětí je 4-5 voltů.

Získávání a používání elektřiny

Elektřina je v naší době základem pohodlného života, proto lidstvo potřebuje její neustálou výrobu. Pro tyto účely se budují různé typy elektráren (vodní, tepelné, jaderné, větrné, přílivové a solární), schopné za pomoci generátorů vyrábět megawatty elektřiny. Tento proces je založen na přeměně mechanické (energie padající vody u vodních elektráren), tepelné (spalování uhlíkového paliva - černé a hnědé uhlí, rašeliny v tepelných elektrárnách) nebo meziatomové energie (atomový rozpad radioaktivního uranu a plutonia na jaderné elektrárny) na elektrickou energii.

Mnoho vědeckých výzkumů se věnuje elektrickým silám Země, z nichž všechny se snaží využít atmosférickou elektřinu ve prospěch lidstva – výrobu elektřiny.

Vědci navrhli mnoho zajímavých zařízení pro generátor proudu, která umožňují extrahovat elektřinu z magnetu. Využívají schopnosti permanentních magnetů dělat užitečnou práci v podobě točivého momentu. Vzniká v důsledku odpuzování mezi stejně nabitými magnetickými poli na statorových a rotorových zařízeních.

Elektřina je populárnější než všechny ostatní zdroje energie, protože má mnoho výhod:

snadný pohyb ke spotřebiteli;
rychlá přeměna na tepelnou nebo mechanickou formu energie;
jsou možné nové oblasti jeho použití (elektrická vozidla);
objev nových vlastností (supravodivost).

Elektřina je pohyb různě nabitých iontů uvnitř vodiče. Jedná se o velký dar přírody, který lidé znali od pradávna a tento proces ještě nebyl dokončen, i když se ho lidstvo již naučilo získávat v obrovských objemech. Elektřina hraje obrovskou roli ve vývoji moderní společnosti. Dá se říci, že bez něj se život většiny našich současníků jednoduše zastaví, protože ne nadarmo se po vypnutí elektřiny říká, že „zhasli světlo“.