Что нам дает электричество

Электричество – что это такое, суть процесса

Электричество, неотъемлемая часть нашей жизни, без которой современный человек не представляет своего существования, даже не задумываясь о сути столь важного процесса. Электрический заряд – это особое свойство материи, электричеством или электрическим током называют совокупность явлений, связанных с существованием, движением и взаимодействием заряженных частиц. Электричество – это и направленный поток движения этих частиц, и выделяемая при этом форма энергии, и получаемое с ее помощью освещение, и раздел физики занимающийся изучением этих явлений. Привычное же нам понятие в 1600 году ввел в обиход английский естествоиспытатель, магистр философии и медицинских наук, Уильям Гилберт, по совместительству являющийся главным лекарем королевского двора. Экспериментируя, он заметил свойство янтаря притягивать легкие предметы, получив заряд в результате трения о сукно. Греки называли янтарь электроном, по аналогии электронами ученый назвал заряженные частицы, а само явление, с его легкой руки стало электричеством.

Интересная теория

Электрические заряды подразделяются на два вида – положительные и отрицательные, у электронов заряд отрицательный, тогда как положительный заряд прерогатива протонов. Между разноименными зарядами действует сила притяжения, одноименные отталкиваются.

Электроны и протоны не контактируют между собой и с окружающей средой, но вокруг них образуется электрическое поле, действующее на другие тела. Электрическое поле создается любым заряженным телом и воздействует на любое заряженное тело.

Электрические частицы создают не только электрическое, но и магнитное поле, понятия электричества и магнетизма родственные. Собственно, Гилберт изучал именно магнетизм, а появление термина электричества скорее приятный бонус, а не цель, поэтому его детище, в котором впервые упоминается об электричестве, называется «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле».

В ходе опыта, нацеленного на выяснение возможностей передачи электричества на расстояние, были выявлены вещества, имеющие большое сопротивление, способные проводить электрический ток (проводники), и тела, его не пропускающие (изоляторы).

Изучением электрических зарядов и связанных с их свойствами и действием явлений занимается электродинамика. Одно из основных ее направлений – квантовая электродинамика, изучающая квантовые свойства электромагнитных полей.

История изучения электричества

Как невозможно ответить на риторический вопрос о первенстве яйца или курицы, так нереально узнать, кто именно открыл электричество. Обратимся к хронологии событий, позволивших человечеству продвинуться в постижении этой науки.

С приходом двадцатого века мы обогатились неоновой лампой, и несколькими важными теориями (квантовая электродинамика, слабые электровзаимодействия), а сравнительно недавно, уже в веке двадцать первом свершилась первая беспроводная передача электроэнергии, но все самое интересное еще впереди.

Что удивительно, самым известным ученым, практически волшебником, весь мир считает хорватского инженера-изобретателя Никола Теслу. Он не открыл каких-либо основополагающих законов, но их отсутствие перекрыл не только бешеной харизмой, но и множеством научных работ, теорий и полезных изобретений. Считается, что и «Тунгусский метеорит», над которым по сей день ломают головы и ученые, и любознательные энтузиасты, его рук дело.

Роль электричества в природе

До подтверждения Франклином электрической природы молний, не только общественность, но и ученые искренне считали, что как раз в природе электричества-то и нет. При том, что именно оно могло стать одним из факторов, создавших условия для зарождения жизни на планете. Электричество, не только двигатель прогресса, но и основа всего живого – без напряжения, существующего в мышечных тканях, невозможны нервные импульсы, а без них невозможно даже дыхание и движение, не говоря о более сложных жизненных процессах.

Интересно, что некоторые рыбы, за счет электрического импульса добывающие пропитание и защищающиеся от врагов, вырабатывают заряды огромной силы. Они смертельны для крупных хищников, но совершенно безопасны для самих носителей, которые, по сути, являются живыми конденсаторами.

Получение и использование электричества

Электроэнергию в глобальных масштабах человечество получает в основном путем преобразования из механической. Электростанции оснащены огромными турбинами, которые вращает либо вода, либо водяной пар. В первом случае вода проходит сквозь плотину или приводится в движение под влиянием лунных циклов, во втором до состояния пара нагревается в результате процесса горения или в ходе ядерной реакции. Существуют и альтернативные источники, такие, как ветер и солнце, но их доля в общей массе пока незначительна. Выработанная энергия поступает к потребителям по линиям электропередач, так как беспроводной способ пока еще фантастика, хотя и приближенная к реальности.

Если наши предки обходились лучиной и ручной тягой, мы полностью зависимы от освещения, связи, средств передвижения, работающих на электрогенераторах, бытовых приборов, инструментов и другой вспомогательной техники. Без электричества просто невозможно существование и развитие современной цивилизации. Недаром даже в мифологии самые грозные боги, которым поклонялись наши предки, громовержцы, повелевающие молниями – это и Зевс, и Тор, и Перун.

Подведем итоги

Сложно переоценить важность электричества, это явление не просто облегчает нашу действительность, оно в прямом смысле дает жизнь всему живому и обеспечивает взаимодействие всех существ и веществ на планете.

Источник

Основы электропитания. Зачем человеку электрическая энергия

Зачем нужна энергия?

Но, поскольку бананы сами в рот не падают и их нужно где-то добывать, то человеку, для того, чтобы выжить, приходится работать. Очевидно, что это противоречит его желаниям, поэтому с момента своего появления большинство людей стремится к тому, чтобы вместо них работал кто-то другой. Вначале это были другие люди (рабы или слуги), потом животные. И лишь пару веков назад человек наконец-то разобрался в законах природы и смог заставить ее работать вместо себя. Очевидно, что природа намного надежней и покладистей людей и животных и при правильном применении ее законов может быть совершенно безобидной.

Рисунок 1.	Пример выполнения одной и той же работы за разное время.

Но одну и ту же работу A можно выполнить за разное количество времени t (Рисунок 1). Например, человеку необходимо выкопать яму и он определил, что эта работа оценивается в 144 миллиона джоулей (A = 144 МДж). Если человек будет ее копать вручную, то на это у него уйдет около 80 часов (t = 80 ч). Однако человек не для того изучал законы природы, чтобы тратить свое драгоценное время на столь рутинное занятие. Существуют экскаваторы, способные вырыть эту яму приблизительно за час. Таким образом, в обоих случаях мы имеем одинаковое количество работы (одинаковый результат), в виде ямы одинаковых размеров, но выполненное за разное количество времени. Очевидно, что экскаватор может за единицу времени выполнить больше работы, чем человек с лопатой. Вот и появляется второй важный термин, с которым все, без исключения, люди сталкиваются в реальной жизни – количество работы, выполняемое за единицу времени, называемое «мощностью» (Power). Мощность обычно обозначается буквой P и определяется по формуле:

(1)

Единицей измерения мощности является ватт (Вт) (watt, W). Один ватт равен работе, равной один джоуль, выполненной за одну секунду:

Самое интересное, что Джеймс Уатт (James Watt), в честь которого и названа единица измерения «ватт», в качестве единицы измерения мощности использовал «лошадиную силу» (л.с.) – среднее количество работы, которую может выполнить среднестатистическая лошадь в течение продолжительного времени. Но, поскольку все лошади разные и их работоспособность зависит от множества факторов, в том числе от погоды и настроения «водителя», то точно определить количество работы, которую может выполнить конкретная лошадь, не представляется возможным. Более того, в разных регионах связь между лошадиной силой и ваттом различна. Например, в европейских государствах 1 л.с. ≈ 736 Вт, в то время как в США и Великобритании лошадей, видимо, лучше кормили, поэтому в этих странах лошадиная сила на 10 ватт больше (1 л.с. ≈ 746 Вт). На сегодняшний день, лошадиная сила является устаревшей единицей измерения мощности, не рекомендуемой для практического использования, поэтому больше мы про нее вспоминать не будем.

Но работа сама по себе выполняться не будет. Человеку или животному для того, чтобы что-то сделать, вначале нужно покушать, а экскаватору залить топлива в бак. И здесь наблюдается прямая зависимость – чем больше нужно сделать работы, тем больше нужно еды или топлива. Получается, что еда и топливо содержат в себе некую «спрятанную» работу, которую, при необходимости, можно использовать для конкретных дел. Эту потенциальную (скрытую, непроявленную) работу человек назвал «энергией» (Energy). Таким образом, для того, чтобы выполнить любую работу, вначале нужно где-то найти энергию – работу, существующую в «спрятанном» виде.

На сегодняшний день, человек относительно неплохо изучил следующие виды энергии:

Существуют и другие виды энергии, например, энергия вакуума или гипотетическая «темная» энергия, но пока человек еще толком не разобрался, что это такое и как ее можно использовать на практике. Но зато человек уже давно понял, что общее количество энергии является постоянной величиной, независимо от того, в каком виде она хранится и назвал это «Принципом (или Законом) сохранения энергии». Согласно этому принципу, процесс выполнения работы является всего лишь переходом энергии из одного вида в другой с сохранением постоянным ее общего количества.

Таким образом, для того, чтобы выполнить какую-либо работу, например, выкопать рассмотренную выше яму, не обязательно самому хвататься за лопату. Можно, например, взять немного молекул бензина и кислорода, разобрать их на составные части, потом собрать полученные атомы другим способом – так, чтобы вместо бензина и кислорода получились углекислый газ и вода – а остаток энергии, образовавшийся после такой переделки, использовать для движения лопаты с помощью соответствующего механизма. А если механизм, способный это осуществить, еще и будет сам определять, где и как ему копать (например, смарт-экскаватор под управлением искусственного интеллекта), то можно один раз нажать на кнопку, а затем просто лежать и наслаждаться процессом.

Работа и энергия имеют одинаковые единицы измерения – «джоуль», что очень удобно – не нужно делать лишние перерасчеты. Поэтому формулу (1) можно записать в виде:

(2)

где Е – количество энергии.

Однако единица измерения «джоуль», оказалась не очень удобной. Согласитесь, что слова «мощность», «энергия» и «киловатт» (одна тысяча ватт) вы не раз слышали, а вот «джоуль» доводилось слышать, наверное, только на уроках физики. Это связано с тем, что на практике более удобным оказалось использование другой единицы измерения количества энергии (и работы) – «киловатт-часа».

Происхождение этой единицы измерения можно проследить из формулы (2), записав ее немного в другом виде:

(3)

Из формулы (3), следует, что количество энергии, необходимое для выполнения какой-либо работы, равно произведению мощности (скорости, с какой эта работа будет выполняться) и времени (в течение которого эта работа будет выполняться), поэтому:

Единицы измерения «джоуль» и «ватт-секунда» (Вт∙с) количественно одинаковы. Но одна «ватт-секунда», с точки зрения обычного человека, содержит настолько малое количество энергии, что в повседневной жизни ее использовать не очень удобно. Поэтому придумали более крупную единицу измерения – «киловатт-час» (кВт∙ч), равную работе, выполняемой со скоростью один киловатт (1000 ватт) в течение часа (3600 секунд):

Киловатт-час является очень удобной единицей измерения, например, если нужно выполнить работу, количество которой равно 100 кВт∙ч, то при использовании оборудования мощностью 100 кВт на ее выполнение уйдет 1 час, а вот если мощность «лопаты» всего 1 кВт, тогда придется потратить уже 100 часов. Поскольку мощность является параметром любого оборудования, то определение количества времени на выполнение работы не требует значительных умственных сил. А вот если энергию измерять в джоулях (100 кВт∙ч = 360 МДж), что полностью одинаково с точки зрения физики, то эта связь уже будет не такой очевидной.

Необходимо отметить, что многие люди, в том числе и работающие на руководящих должностях в энергетических компаниях, часто неправильно пишут и произносят эту единицу измерения. В большинстве случаев путают «киловатты» (единицы измерения мощности) и «киловатт-часы» (единицы измерения энергии) – это разные физические величины и их смешивать нельзя, хотя в рабочем общении, когда вокруг одни специалисты, точно понимающие о чем речь, это допустимо, ведь если часто повторять «киловатт-час», то можно сломать язык. Но более грубой ошибкой является использование единицы измерения «киловатт в час» или «киловатт за час» (кВт/ч). С точки зрения физики подобная единица измерения обозначает «скорость изменения скорости выполнения работы», что эквивалентно «ускорению выполнения работы». В философии, экономике или менеджменте такой параметр может когда-нибудь и найдет практическое применение, но в технике, особенно в системах электропитания, в нем пока не было необходимости.

Еще хуже обстоит дело с киловатт-часом в Украине. Корректным сокращением украинского слова «година» (час) является «год», поэтому в украинском языке киловатт-час в сокращенном виде должен писаться как «кВт∙год». Однако очень часто технически неграмотные писатели и переводчики по аналогии с другими языками, например, английским, используют «кВт∙г». Однако «г» – это сокращение единицы измерения массы «грам» (грамм). Вот и получается, что в Украине, к очень большому сожалению, некоторые люди измеряют энергию в «киловатт-граммах» (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Табличка с уровнем энергетической эффективности стиральной машины, предназначенной для продажи в Украине, где среднее количество энергии, потребляемой за год (173 кВт∙ч), измеряется в «киловатт-граммах» (кВт∙г вместо кВт∙год)

Человек начал исследовать энергетические процессы задолго до открытия Принципа сохранения энергии и введения единой единицы измерения «джоуль», поэтому в некоторых случаях используются иные единицы измерения энергии (Таблица 1). В их число входят «калория» (кал) – количество энергии, необходимое для подогрева одного грамма воды на один градус Цельсия (или Кельвина) и «электронвольт» (Эв) – количество энергии, необходимое для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в один вольт. Калория до сих пор активно используется в тепловых расчетах и для измерения энергетической ценности пищевых продуктов, а электронвольт «полюбили» люди, работающие с атомами и молекулами, для которых один джоуль является просто огромным количеством энергии. В энергетике и электронике, в том числе и в системах электропитания, для измерения энергии обычно используют киловатт-часы (реже ватт-часы), а для измерения мощности – ватты и киловатты, поэтому эти единицы измерения в дальнейшем и будут для нас основными.

Зачем человеку электричество?

Внимательный читатель, наверное, уже обратил внимание, что в предыдущей части, когда разбирались такие понятия как «энергия» и «мощность», еще не было ни слова сказано об электричестве. Хотя у многих людей слова «киловатт» и «киловатт-час» прочно ассоциируются именно с электрическими системами. Ошибки здесь нет никакой, поскольку эти слова, действительно, имеют прямое отношение к энергетике, для которой электричество является одним из ключевых физических явлений. Однако понятия «энергия» и «мощность» относятся к любому роду деятельности человека, а не только к электричеству. Более того, они позволяют связать электрические системы с реальной жизнью, ведь само по себе электричество человеку не нужно.

Во-первых, электрический ток легко передается на большие расстояния – для этого необходимо иметь, как минимум, два электрически изолированных провода. Электрический ток распространяется самостоятельно, для его протекания не нужно строить насосы, компрессорные станции или мощные тягачи, как, например, для передачи нефти, газа или угля, а также не нужно тратить дополнительную энергию. Конечно, при протекании электрического тока возникают неизбежные потери, однако они являются управляемыми и, теоретически, могут быть уменьшены до нуля. Линии электропередач намного проще и дешевле в строительстве и обслуживании, чем линии для перевозки всех остальных видов энергоресурсов. Более того, электрическая энергия распространяется с очень большой скоростью – практически со скоростью света (≈300,000 км/с). Например, передать ее вокруг Земли, длина экватора которой равна приблизительно 40,000 км, можно всего за 0.13 секунды. Таким образом, электрическая энергия является наиболее удобным видом энергии с точки зрения транспортировки.

Во-вторых, электрическую энергию можно эффективно преобразовать в другой вид энергии – тот, который действительно необходим человеку. Например:

Кроме того, существуют и другие вещи и явления, связанные уже непосредственно со спецификой электричества. Например, с его помощью можно высушить стены здания (используется явление электроосмоса), а железную ручку чайника для предотвращения коррозии покрыть тончайшим слоем никеля или золота (используется технология гальванического осаждения металлов). Однако основное практическое использование электричества заключается в доставке энергии в нужное место с последующим преобразованием ее в тот вид, который непосредственно необходим человеку.

Рассмотрим это на примере (Рисунок 3). Пусть вам необходимо просверлить отверстие. Для этого необходимо несколько раз провернуть сверло, то есть, нужна механическая энергия. Источником механической энергии может служить, например, ветер. Значит, можно поставить на крыше большой пропеллер, который будет вращаться, отбирая механическую энергию у движущегося воздуха. Но ветряная турбина должна располагаться, в лучшем случае, на крыше здания, а отверстие нужно просверлить внутри, и как тогда передать механическую энергию в нужное место? Представьте себе эту систему ремней, цепей, редукторов и шестеренок – это будет очень сложное, громоздкое и дорогое сооружение, а самое главное – одноразовое, поскольку вам нужно просверлить всего одно отверстие.

Рисунок 3.	Пример использования электричества в качестве промежуточного звена для передачи энергии.

Таким образом, человек использует электричество в качестве промежуточного звена, позволяющего передавать энергию (способность выполнять работу) в места, где не дует ветер, не светит солнце, не текут реки и не могут находиться люди или животные. Удобство передачи и преобразования электричества позволяет создавать специальные объекты – энергетические станции, генерирующие мощные (вы уже знаете что «мощный» – способный создавать много энергии в единицу времени) потоки энергии. И такие станции могут располагаться где угодно, например, на реках (гидроэлектростанции, ГЭС), в местах, где дуют сильные ветры (ветряные электростанции, ВЭС) или ярко светит солнце (солнечные электростанции, СЭС). А если удобных природных источников поблизости нет, тогда энергию можно брать, сжигая органическое топливо (тепловые электростанции, ТЭС) или разрушая атомы радиоактивных элементов (атомные электростанции, АЭС).

Но обратите внимание, все объекты, генерирующие энергию, имеют в названии слово «электро». Вряд ли вы слышали об «механостанциях» (источниках механической энергии) или «светостанциях» (источниках световой энергии). Существуют, правда, тепловые станции (котельные, ТЭЦ), но энергия, создаваемая этими объектами, используется только для обогрева помещений, передается на относительно небольшие расстояния и с относительно большими потерями, а преобразовать ее в другие виды, например свет, весьма затруднительно.

Заключение

Вот и получается, что, несмотря на то, что человек не требует для своего физического существования электричества, без него он прожить уже фактически не может. Точнее, может, но тогда ему снова придется ужинать при свечах, много физически работать, кататься на лошадях, забыть за Интернет, телевизор и радио, а информацию передавать по старинке – с помощью бумаги и быстрых гонцов.

В этом месте можно много рассуждать, хорошо это или плохо, однако ясно одно – на сегодняшний день системы электропитания существуют в каждом доме, а источники электрической энергии, например, батарейки, можно купить во многих магазинах. И можно на этот факт упрямо не обращать внимания, надеясь, что все обойдется и использование электричества будет только приятным и безопасным, однако, как показывает практика, так бывает далеко не всегда.

Сноски

1) На самом деле разница есть, например, из-за того, что на экваторе сила, с которой Земля притягивает предметы, меньше, чем на полюсе, а один и тот же объем воды при разной температуре имеет разную массу. Однако, в нашем случае, на эти подробности можно не обращать внимания.

2) Центральная нервная система человека управляет всеми внутренними органами с помощью электрических сигналов, при этом нервы, фактически, выполняют функцию электрических проводов. Анализ и синтез подобных сигналов дает возможность создавать бионические протезы, например, рук, провода которых электрически соединяются с нервами, что позволяет мозгу управлять протезом как «родным» органом. Точно так же как видеокамера или микрофон могут передавать сигналы, непосредственно в зрительный или слуховой нерв, что позволяет восстанавливать зрение или слух.

3) Точно по такому принципу работают транспортные средства с электрической трансмиссией, например, некоторые типы гибридных электромобилей, карьерные самосвалы и даже тепловозы.

4) Известны шуточные эксперименты, в которых почтовые голуби переносили информацию, записанную на небольших твердотельных носителях, быстрее, чем она передавалась через сеть Интернет.

Источник