Откуда берётся электричество?

Электричество (от греч. elektron – янтарь, так как янтарь притягивает легкие тела), или ток начали использовать только в 1800 году, когда итальянский физик Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта изобрёл первую в мире батарею и тем самым дал первый надёжный постоянный источник электроэнергии.

А как же возникает электричество?

Всё вокруг состоит и малюсеньких частиц, которые не видны человеческому глазу, – атомов. Атом состоит из более мелких частиц:  в центре – ядро, а вокруг него вращаются электроны. Ядро состоит из нейронов и протонов. Электроны, которые вращаются вокруг ядра, имеют отрицательный заряд (-), а протоны, которые находятся в ядре, – положительный (+). Обычно количество электронов в атоме совпадает с количеством протонов в ядре, поэтому атом не имеет заряда – он нейтрален.

Бывают  такие атомы, у которых может не хватать одного электрона. Они имеют положительный заряд (+) и начинают притягивать электроны (-) из других атомов. И в этих, других атомах электроны слетают со своих орбит, меняют траекторию движения. Движение электронов от одного атома к другому приводит к образованию энергии.  Эта энергия и называется электричеством.

А откуда берётся электричество в наших домах?

Мы получаем электричество благодаря большим электростанциям. На электростанциях есть генераторы – большие машины, которые работают от источника энергии. Обычно источник – это тепловая энергия, которую получают при нагревании воды (пар). А  для нагревания воды используют уголь, нефть, природный газ или ядерное топливо. Пар, который образуется при нагревании воды, приводит в действие огромные лопасти турбины, а те в свою очередь запускают генератор.

Энергию можно получить, используя силу воды, падающей с большой высоты: с плотин или водопадов (гидроэнергетика).

Как источник питания для генераторов можно использовать силу ветра или тепло Солнца, но к ним прибегают не часто.

Далее работающий генератор при помощи огромного магнита создаёт поток электрических зарядов (ток), который проходит по медным проводам. Чтобы передавать электричество на большие расстояния, необходимо увеличить напряжение. Для этого используют трансформатор – устройство, которое может повышать и понижать напряжение. Теперь электричество с большой мощностью (до 10000 вольт и более) по огромным кабелям, которые находятся глубоко под землёй или высоко в воздухе, движется  к месту назначения. Перед тем, как попасть в квартиры и дома, электричество проходит через другой трансформатор, который понижает его напряжение. Теперь готовое к использованию электричество движется по проводам к необходимым объектам. Количество использованного электричества регулируется специальными счётчиками, которые прикрепляются к проводам, которые проложенные через стены и полы.    подводят электричество в каждую комнату дома или квартиры. Благодаря электричеству работает освещение и телевидение, различные бытовые приборы.

Если Вам необходима помощь при решении задач по физике или математике, онлайн репетиторы всегда готовы Вам помочь. В любое время и в любом месте ученик может обратиться за помощью к онлайн репетитору и получить консультацию по любому предмету школьной программы. Обучение проходит  посредством специально разработанного программного обеспечения. Квалифицированные педагоги оказывают помощь при выполнении домашних заданий, объяснении непонятного материала; помогают подготовиться к ГИА и ЕГЭ. Ученик выбирает сам, проводить занятия с выбранным репетитором на протяжении  длительного времени, или использовать помощь педагога только в конкретных ситуациях, когда возникают сложности с определённым заданием.

© blog.tutoronline.ru, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Электричество в нашей жизни

В настоящее время электроприборы в доме и на работе стали незаменимыми помощниками, создающими комфортные условия для человека. Однако не стоит забывать о том, что электрический ток может представлять угрозу и он безопасен до тех пор, пока находится под «замком» изоляции проводов.

Чтобы не попасть в беду, необходимо знать и соблюдать меры безопасности при использовании электроприборов, а также правила действий при возникновении чрезвычайных ситуаций, связанных с электричеством.

Предлагаем вашему вниманию материалы тематического занятия «Электричество вокруг нас».

Автор: Егоров Сергей Валерьевич

Рекомендации по работе с презентацией к классному часу «Электричество в нашей жизни»
для обучающихся 9–11-х классов

Вариант проведения занятия [PDF] [DOCX]
Презентация [PDF] [PPTX]

Цель: формирование ценности здорового и безопасного образа жизни.

Задачи:

• расширить представление учащихся об электроэнергетике;
• сформировать устойчивые навыки электробезопасности;
• развить ответственное отношение за свою жизнь и здоровье.

Методический материал носит рекомендательный характер; учитель, принимая во внимание особенности каждого класса, может варьировать вопросы, их количество, менять этапы занятия.

---

Учитель:

— Что общего между изображениями на слайде?
— Попробуйте сформулировать тему классного часа. (Тема «Электричество в нашей жизни»).
— Какие ещё сферы вашей жизни связаны с электричеством?

Для учителя:
Электричество даёт нам свет, тепло, приводит в движение различные механизмы, позволяет играть в компьютерные игры, готовить вкусную еду, запускает аттракционы и умеет ещё многое другое.

---

Тема классного часа:

«Электричество в нашей жизни».

 

 

 

---

Как и откуда к нам поступает электричество?

Учитель: изучите схему.

— К какому виду электростанций относятся источники получения электричества на слайде?
— Какие ещё электростанции и виды промышленной энергетики существуют в мире?
— Попробуйте перечислить, а далее аргументировать плюсы и минусы различных видов получения электричества.

Для учителя:

На слайде: теплоэлектростанция и гидроэлектростанция.

Электростанции и виды промышленной энергетики:

— Ядерная энергетика (атомные электростанции (АЭС).
— Ветроэнергетика – использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии.

— Гелиоэнергетика – получение электричества из энергии солнечных лучей.
— Геотермальная энергетика – использование естественного тепла Земли для выработки электрической энергии.
— Водородная энергетика – использование водорода в качестве энергетического топлива.
— Приливная энергетика – использует энергию морских приливов.
— Волновая энергетика – использует энергию волн.

---

Учитель: Для того чтобы потребители получили электричество, его нужно передавать наименее энергозатратно и безопасно. Ознакомьтесь со схемой и, используя знания курса физики, попробуйте порассуждать.

— Для чего необходимы электроподстанции?
— Кто входит в число потребителей электричества?

Для учителя: 

Подстанция, на которой стоят повышающие трансформаторы, увеличивает электрическое напряжение при соответствующем снижении значения силы тока, в то время как понижающая подстанция уменьшает выходное напряжение при пропорциональном увеличении силы тока. Основная же причина повышения напряжения состоит в том, что, чем выше напряжение, тем большую мощность и на большее расстояние можно передать по линии электропередачи.

Учитель: В московском регионе электрораспределением занимается ПАО «МОЭСК» (Публичное акционерное общество «Московская объединённая электросетевая компания»).

Ознакомьтесь с роликом сайта ПАО «МОЭСК» и ответьте на вопросы.

— Какие основные виды деятельности оказывает ПАО «МОЭСК»?
— Приходилось ли вам, вашим родителям или знакомым прибегать к помощи ПАО «МОЭСК»? Расскажите, как это произошло.

Для учителя:

ПАО «МОЭСК» оказывает услуги по передаче электрической энергии и технологическому присоединению потребителей к электрическим сетям на территории Москвы и Московской области. Территория обслуживания – 46 892 кв. км. Число клиентов компании превышает 17 млн человек, что составляет более 96 % потребителей города Москвы и 95 % Московской области.

Миссия общества: ПАО «МОЭСК», осуществляя электроснабжение столичного региона Российской Федерации, стремится обеспечить максимальный уровень надёжности и доступности распределительной сетевой инфраструктуры, используя энергоэффективные технологии и инновации, придерживаясь мировых стандартов качества предоставляемых услуг и лучшей практики корпоративного управления.

---

Учитель: Электроприборы, которыми вы пользуетесь дома и в школе, электрические сети и подстанции, мимо которых вы проходите во дворе и на улице, при нормальной, штатной работе безопасны.

При неправильном использовании электроприборов и нахождении на запрещённых территориях электроустановок, а также неправильных действиях при возникновении чрезвычайной ситуации с обрывом электропроводов возникает реальная угроза для жизни и здоровья человека –

электротравма. Она приводит к нарушению нормальной деятельности сердечно-сосудистой и нервной системы, нарушению дыхания, а также возникновению ожогов, в том числе со смертельным исходом.

Учитель. Ответьте на вопросы. Сталкивались ли вы:
— с неисправными электрическими приборами или оборудованием;
— с нарушениями при использовании электроприборов;
— с нарушением правил нахождения рядом с электроустановками, которые привели или могли привести к несчастному случаю?

Порассуждайте и попробуйте назвать причины случившегося.

Справочные материалы для учителя: Поражение электрическим током (электротравма). 

---

Учитель6 Назовите причины получения электротравмы, используя знания курсов физики, технологии.

Для учителя:

— Повреждение изоляции провода или повреждение розетки.
— Вода является хорошим проводником электричества.
— Повреждение розетки, вилки.
— Возможно замыкание на токопроводящую поверхность прибора или возгорание прибора.

— При соприкосновении с токопроводящими деталями.
— Большая влажность, наличие ёмкостей с водой, влажный пол (вода является хорошим проводником электричества).

---

Учитель: Безопасным считается напряжение 12 вольт (аккумуляторы большинства автомобилей). Наибольшее распространение в промышленности, сельском хозяйстве и в быту получили электрические сети напряжением 220 и 380 вольт. Это напряжение экономически выгодно, но очень опасно для человека.

Аргументируйте, чем опасны для каждого персонажа ситуации на слайде. Почему?

Для учителя: Правила нахождения вблизи энергообъектов:

— Не касайтесь оборванных висящих или лежащих на земле проводов и не подходите к ним ближе, чем на 10 метров. (Вы можете попасть в шаговое напряжение).
— Не влезайте на опоры высоковольтных линий электропередачи, не играйте под ними, не разводите костры, не делайте на провода набросы предметов, не запускайте под проводами воздушных змеев.
— Не открывайте трансформаторные будки, электрощитовые и другие электротехнические помещения, не трогайте руками электрооборудование, провода.
— Заметив оборванный провод, незакрытые или повреждённые двери трансформаторных будок или электрических щитов, немедленно сообщите об этом взрослым.
— Не рыбачьте под проводами линии электропередачи. (Многие удочки – отличные проводники электричества).

---

Учитель: Несмотря на соблюдение правил безопасности, вокруг нас возможно возникновение нестандартных ситуаций, которые могут привести к несчастным случаям. Одной из возможных ситуаций является обрыв электропроводов после падения на них деревьев или больших веток после стихийных бедствий.

Если вы оказались рядом с оборванным высоковольтным проводом, удар током можно получить, находясь и в нескольких метрах от него, за счет шагового напряжения.

Выполните задание.

Составьте справочный материал о шаговом напряжении, используя материалы.

В материале должны отражаться ответы на вопросы:
— Что из себя представляет шаговое напряжение?
— Чем оно опасно для человека?
— Как нужно передвигаться при воздействии на вас шагового напряжения?

---

Выберите знак препинания для фразы. Аргументируйте свой ответ.

 

 

 

 

---

Полезная информация.

Учитель. При возникновении несчастного случая, обязательным условием является вызов служб экстренной помощи.

 

 

 

---

Полезные электронные ресурсы:

— ПАО «Московская объединённая электросетевая компания»;
— ПАО «Россети»;
— Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России);
— Городской методический центр Департамента образования города Москвы (ГМЦ ДОгМ);
— Библиотека Московской электронной школы (МЭШ).

 

 

Что такое электрический ток? – RozetkaOnline.COM

Чтобы понять, что же такое электрический ток, необходимо иметь представление о строении атома. Атом – (с древне греческого – неделимый) – это наименьшая составная часть любого химического элемента, которая является носителем его свойств. Атомы настолько малы, что до недавнего времени их нельзя было увидеть ни в один в микроскоп. Лишь в 2010г. Японские ученые объявили о том, что им удалось осуществить непосредственное наблюдение атомов водорода, с помощью электронного микроскопа ARABF-STEM.

До этого, для описания строения атомов использовалась теоретическая модель. Согласно которой, атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Эти отдельные элементы удерживаются как механическими так и электрическими силами.

Протон – заряжен положительно и имеет массу около 1.67262178 × 10^-27 Кг.

Нейтрон – не имеет заряда, масса его равна примерно 1,6749543 × 10^–27 Кг.

Электрон – заряжен отрицательно, его масса около 9.10938291 × 10^-31 Кг.

 

 

При этом протоны и нейтроны образуют ядро атома, а электроны, в виде облака, с большой скоростью вращаются вокруг него. Так как разноименные заряды притягиваются – отрицательно заряженные электроны, притягиваются к положительно заряженным протонам и лишь высокая скорость вращения мешает электронам упасть на притягивающее их ядро. Можно провести аналогию с нашей солнечной системой, где солнце – это ядро атома, а планеты вращающиеся вокруг нее – электроны.

 

 

Число электронов, которые как мы знаем заряжены отрицательно, равняется числу протонов, заряженных положительно, тем самым они уравновешивают друг друга и атом в целом остается нейтральным.

Количество протонов у различных химических элементов определяется согласно порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева. Так под порядковым номером «1», в таблице находится водород, атом которого содержит соответственно всего один протон.

 

 

Так как в электротехнике мы, чаще всего, имеем дело с металлическими проводниками электрического тока, давайте рассмотрим структуру атома меди, т.к. именно из нее выполнено большая часть проводов, использующихся в электропроводке квартир.

Медь «Cu» – в периодической системе Д.И. Менделеева имеет порядковый номер 29, а значит его ядро состоит из 29 протонов, а на орбите находится 29 электронов, при чем у меди четыре разных орбиты.

 

Структура расположения атомов меди упорядоченная (показана на изображении ниже).

 

Атомы находятся довольно близко друг к другу. Из-за этого, электроны с внешних орбит, довольно слабо связанные со своим ядром, попадая под действие притяжения соседних ядер, перемещаются и двигаются хаотично. Такие электроны еще называются «свободные электроны». На изображении ниже, показана схема взаимодействия атомов лития и появления свободных электронов.

 

 

Все изменяется, когда на металл начинает действовать электрическое поле, которое распространяется внутри проводника со скоростью света.

 

Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле, которое с некоторой силой действует на электрические заряды. Свободные электроны при этом, двигаются, как и прежде, беспорядочно, но уже по направлению действия электрического поля. Вот это движение заряженных частиц (в металлах это электроны) и называется электрическим током.

Нужно отметить, что движение свободных электронов, под действием электрического поля, очень медленное, почему же тогда стоит нам нажать клавишу выключателя и свет практически мгновенно загорается? Об этом и многом другом поговорим в следующей статье «Электроны в электрической цепи».

Электричество из дождя, плазма против вируса и шахматы по-скандинавски

• Леонид Лунеев
• Би-би-си

15 февраля 2020

В очередной подборке интересных научных новостей недели:

Автор фото, HK Uni

Одна дождинка — это уже свет

Принцип использования воды для выработки электроэнергии не нов. Во всем мире действуют сотни приливных и гидроэлектростанций, однако эффективно утилизировать низкочастотную кинетическую энергию дождевых капель до сих пор не удавалось.

А теперь представьте себе одну-единственную каплю воды, которая вырабатывает достаточно энергии, чтобы зажечь 100 светодиодных лампочек.

«Как показывают наши эксперименты, капля объемом в 100 микролитров, упавшая с высоты в 15 сантиметров, способна выработать ток напряжением в 140 вольт», — утверждает автор проекта, профессор Гонконгского университета Цзуанькай Вон.

Капельные генераторы электричества известны давно, их работа основана на принципе, когда электроэнергия вырабатывается за счет контакта двух материалов, которые при трении обмениваются электронами (вспоминаем эбонитовую палочку).

К сожалению, КПД таких генераторов крайне низок, однако ученым из Гонконга удалось преодолеть этот недостаток.

Изобретатели применили политетрафторэтилен (ПТФЭ), который при ударе по нему капель воды способен постепенно накапливать заряд, совместив его с полевым транзистором из тех, что применяются в современной электронике.

Генератор состоит из двух электродов: один из них сделан из алюминия, другой — из оксида индия и олова и покрыт этим самым ПТФЭ. На нем, собственно, и генерируется заряд.

Падающие капли воды соединяют два электрода и превращают конструкцию в замкнутую электрическую цепь, высвобождая накопленный заряд и вырабатывая электрический ток.

По словам авторов изобретения, их миниэлектростанцию можно строить везде, где жидкость соприкасается с твердой поверхностью, а вода может быть как дождевой, так и морской.

Профессор Вон надеется, что новая технология утилизации водяных капель поможет в решении глобальной проблемы поиска возобновляемых источников энергии.

«Вырабатывая электричество из дождевых капель, мы могли бы поспособствовать гармоничному развитию мира на основе восполнения энергетических ресурсов», — считает он.

Плазмой по вирусу: новый способ борьбы с инфекциями

Автор фото, robertcoeliusmichiganengineeringcommunications-mar

На фоне вспышки китайского коронавируса перед учеными в очередной раз встала задача: как обезопасить людей от заражения в общественных местах.

Маски и фильтры способны решить эту проблему лишь отчасти, поскольку не в состоянии задерживать крошечные вирусы.

В качестве альтернативы ученые из Мичиганского университета предлагают бороться с заразой с помощью низкотемпературного плазменного реактора.

Плазма, или ионизированный газ, — это одно из четырех агрегатных состояний вещества, состоящего не из нейтральных атомов и молекул, а из электронов и заряженных ионов.

Существует сразу несколько теорий относительно того, как плазма низких температур убивает бактерии, однако убить вирус не так просто — хотя бы потому, что он изначально является лишь условно живым.

В ходе экспериментов выяснилось, что удар плазмы обеззараживает воздух на 99%: ДНК вирусов при этом не страдает, но у них пропадает способность к заражению. Ученые объясняют это тем, что плазма окисляет вирусы, отключая у них механизмы, с помощью которых они проникают в клетки.

Врачи пока не знают, почему некоторые вирусы и бактерии, находясь в воздухе, дольше сохраняют способность к заражению, но именно эта способность делает их более опасными. Ведь в замкнутых многолюдных пространствах — к примеру, в салоне самолета, — когда естественная концентрация патогенных частиц долгое время не спадает, опасность распространения инфекции особенно высока.

Поэтому применение плазменного реактора, а по сути — большого вентилятора с плазменной установкой, который способен за доли секунды убить бактерии и нейтрализовать вирусы, могло бы стать эффективным средством борьбы с инфекциями, которые распространяются воздушно-капельным путем.

Смерть на кончике хвоста

Автор фото, Getty Images

Никто уже не сможет с точностью сказать, отчего скончался этот динозавр, живший на территории современного канадского штата Альберта, но 66 миллионов лет назад он в последний раз взмахнул своим могучим хвостом.

Собственно, все, что осталось от этого гадрозавра — гигантского утконосого травоядного ящера, — это 11 хвостовых позвонков. И 8 из них явили ученым признаки болезни, ранее не наблюдавшейся у динозавров, зато встречающейся у современного человека.

«В двух позвонках мы обнаружили большие каверны, — объясняет специалист по эволюционной биологии Тель-Авивского университета Хила Мэй. — И они были очень похожи на каверны, возникающие при клеточном гистиоцитозе Лангерганса (КГЛ) — редком онкологическом заболевании, которое в наши дни встречается у людей».

Автор фото, Assaf Ehrenreich/Tel Aviv University

Результаты микротомографии подтвердили первоначальный диагноз ученых, доказав, что эта редкая форма рака существовала уже в конце позднего мелового периода.

По словам ученых, КГЛ и раньше находили у животных, в частности, у древесных землероек и тигров, но у динозавра признаки этого редкого заболевания выявлены впервые.

В наше время от КГЛ, который сопровождается сильными болями и опухолями, как правило, страдают дети. И хотя в большинстве случаев болезнь удается вылечить, врачи пока что мало знают о том, что именно ее вызывает.

Поэтому специалисты полагают, что открытие КГЛ у динозавров поможет понять эволюционные процессы этого заболевания и то, как динозавры научились с ним справляться и выживать. А это, в свою очередь, может привести к созданию эффективных методов лечения КГЛ.

Шахматы для викингов: партия, которая не закончится добром

Автор фото, Durham University

В промежутках между грабежами и насилием викинги, совершавшие первые набеги на Англию, любили посидеть за настольной игрой.

Об этом ученым из Даремского университета поведала очень редкая археологическая находка, сделанная на острове Линдисфарн у северо-восточного побережья Англии.

Судя по всему, эта фишка из белого и синего стекла размером с небольшую конфету была королем из древней скандинавской игры hnefatafl («Королевский стол»), которая чем-то напоминала шахматы.

Ценность находки заключается в том, что ей около 1200 лет, и это лишь вторая подобная фишка, обнаруженная в Британии.

Впрочем, не все историки убеждены в том, что викинги шли в бой с настольной игрой и фишка выпала из кармана захватчика во время рейда.

«Не исключено, что это была фигура из похожей игры, в которую играли представители элиты в северной Англии еще до того, как там появились викинги», — считает археолог Лиса Уэсткотт Уилкинз.

Если это в самом деле фигура из местной версии игры, то это еще более важно и интересно, поскольку свидетельствует о растущем влиянии скандинавской культуры на монахов Линдисфарна и на всю средневековую Нортумбрию.

Кстати, в этой игре короля тоже нужно защищать от других фигур. Что же касается настоящих шахмат, то первые резные фигурки появились в Европе чуть позже.

И еще это говорит о том, что средневековый Линдисфарн был оживленным местом, а вовсе не скучной и аскетичной обителью монахов, как мы часто представляем времена раннего христианства.

«Только вообразите: викинги, высадившиеся на Линдисфарне, могли, хотя бы теоретически, сыграть с местными монахами партию в игру, которая была известна обеим сторонами, хотя они почти наверняка заспорили бы о том, по чьим правилам играть», — говорит Уэсткотт Уилкинз.

Урок 1. Электричество: куда бегут электроны

– В Европе теперь никто на пианино не играет,
играют на электричестве.
–На электричестве играть нельзя – током убьет.
–А они в резиновых перчатках играют…
–Э! В резиновых перчатках можно!
«Мимино»

Странно… Играют на электричестве, а убивает почему-то каким-то там током… Откуда в электричестве ток? И что это за ток? Здравствуйте, уважаемые! Давайте разбираться.

Ну, во-первых, начнём с того, почему это играть на электричестве в резиновых перчатках всё-таки можно, а, например, в железных или свинцовых – нельзя, хотя металлические прочнее? Дело все в том, что резина не проводит электричество, а железо и свинец – проводят, поэтому и током ударит. Стоп-стоп… Мы идем не в ту сторону, давайте, разворачиваемся… Ага… Начинать нужно с того, что все в нашей Вселенной состоит из мельчайших частичек – атомов. Эти частички настолько малы, что, например, человеческий волос по толщине в несколько миллионов раз превосходит размер самого маленького атома водорода. Атом состоит (см. рисунок 1.1) из двух основных частей – положительно заряженного ядра, состоящего в свою очередь из нейтронов и протонов и вращающихся по определенным орбитам вокруг ядра электронов.

Рисунок 1.1 – Строение электрона

Суммарный электрический заряд атома всегда (!) равен нулю, то есть атом электрически нейтрален. Электроны имеют довольно сильную связь с атомным ядром, однако, если приложить некоторую силу и «вырвать» один или несколько электронов из атома (посредством нагревания или трения, например), то атом превратиться в положительно заряженный ион, поскольку величина положительного заряда его ядра будет больше величины отрицательного суммарного заряда оставшихся электронов. И наоборот, – если каким-либо образом добавить к атому один или несколько электронов (но не посредством охлаждения…), то атом превратится в отрицательно заряженный ион.

Электроны, входящие в состав атомов любого элемента,абсолютно идентичны по своим характеристикам: заряду, размеру, массе.

Теперь, если посмотреть на внутренний состав любого элемента можно увидеть, что не весь объем элемента занимают атомы. Всегда, в любом материале так же присутствуют как отрицательно заряженные, так и положительно заряженные ионы, причем процесс преобразования «отрицательно заряженный ион–атом–положительно заряженный ион» происходит постоянно. В процессе этого преобразования образуются так называемые свободные электроны – электроны, не связанные ни с одним из атомов или ионом. Оказывается, что различных веществ количество этих свободных электронов разное.

Так же из курса физики известно, что вокруг любого заряженного тела (даже такого ничтожно малого, как электрон) существует так называемое невидимое электрическое поле, основными характеристиками которого являются напряженность и направление. Условно принято, что поле всегда направлено из точки положительного заряда к точке отрицательного заряда. Такое поле возникает, например, при натирании эбонитовой или стеклянной палочки о шерсть, при этом в процессе можно услышать характерный треск, явление которого мы рассмотрим позже. Причем, на стеклянной палочке будет образовываться положительный заряд, а на эбонитовой – отрицательный. Это как раз и будет означать переход свободных электронов одного вещества в другое (со стеклянной палочки в шерсть и из шерсти в эбонитовую палочку). Переход электронов означает изменение заряда. Для оценки этого явления существует специальная физическая величина – количество электричества, названная кулон, причем 1Кл= 6.24•10¹⁸ электронов. Исходя из этого соотношения заряд одного электрона (или его по-другому называют элементарным электрическим зарядом) равен:

Так при чем же здесь все эти электроны и атомы… А вот при чём. Если взять материал с большим содержанием свободных электронов и поместить его в электрическое поле, то все свободные электроны будут двигаться в направлении положительной точки поля, а ионы – поскольку они имеют сильные межатомные (межионные) связи –оставаться внутри материала, хотя по идее они должны двигаться к той точке поля, заряд которой противоположен заряду иона. Это было доказано с помощью простого эксперимента.

Два различных материала (серебро и золото) соединили друг с другом и поместили в электрическое поле на несколько месяцев. Если бы наблюдалось движение ионов между материалами, то в месте контакта должен был бы произойти процесс диффузии и в узкой зоне серебра образоваться золото, а в узкой зоне золота – серебро, но такого не произошло, что и доказало неподвижность «тяжелых» ионов. На рисунке 2.1 показано движение положительной и отрицательной частиц в электрическом поле: отрицательно заряженные электроны движутся против направления поля, а положительно заряженные частицы – по направлению поля. Однако это справедливо только для частиц, не входящих в кристаллическую решетку какого-либо материала и не связанных между собой межатомными связями.

Рисунок 1.2 – Движение точечного заряда в электрическом поле

Движение происходит именно таким образом, потому как одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые – притягиваются: на частицу всегда действуют две силы: сила притяжения и сила отталкивания.

Так вот, именно упорядоченное движение заряженных частиц и называют электрическим током. Существует забавный факт: изначально считалось (до открытия электрона), что электрический ток порождён именно положительными частицами, поэтому направление тока соответствовало движению положительных частиц от «плюса» к «минусу», однако впоследствии обнаружилось обратное, но направление тока решено было оставить прежним, и в современной электротехнике осталась эта традиция. Так что всё на самом деле наоборот!

Рисунок 1.3 – Строение атома

Электрическое поле можно, хоть и характеризуется величиной напряженности, но создается вокруг любого заряженного тела. Например, если всё ту же стеклянную и эбонитовую палочки натереть о шерсть, то вокруг них возникнет электрическое поле. Электрическое поле существует около любого объекта и воздействует на другие объекты, сколь угодно далеко они бы ни располагались.Однако с ростом расстояния между ними напряженность поля уменьшается и её величиной можно пренебречь, так что два человека, стоящие рядом и имеющие некоторый заряд, хоть и создают электрическое поле, и между ними протекает электрический ток, но он настолько мал, что его величину трудно зафиксировать даже специальными приборами.

Так вот, пора бы уже побольше рассказать о том, что это за характеристика – напряженность электрического поля. Начинается всё с того, что в 1785 году французский военный инженер Шарль Огюстен де Кулон, отвлекшись от рисования военных карт, вывел закон, описывающий взаимодействие двух точечных зарядов:

Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Мы не будем углубляться в то, почему это именно так, просто поверим на слово господину Кулону и введём некоторые условия для соблюдения этого закона:

• точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров — впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными не пересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;
• их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;
• взаимодействие в вакууме.

Математически закон записывается следующим образом:

где q₁,q₂ – величины взаимодействующих точечных зарядов,
r – расстояние между этими зарядами,
k – некоторый коэффициент, описывающий влияние среды.
На рисунке ниже приведено графическое пояснение закона Кулона.

Рисунок 1.4 – Взаимодействие точечных зарядов. Закон Кулона

Таким образом, сила взаимодействия между двумя точечными зарядами возрастает при увеличении этих зарядов и уменьшается при увеличении расстояния между зарядами, причём увеличение расстояния в два раза приводит к уменьшению силы в четыре раза. Однако подобная сила возникает не только между двумя зарядами, но и между зарядом и полем (и опять электрический ток!). Логично было бы предположить, что на различные заряды одно и то же поле оказывает различное влияние. Так вот отношение силы взаимодействия поля и заряда к величине этого заряда и называется напряжённостью электрического поля. При условии, что заряд и поле неподвижны и не изменяют своих характеристик с течением времени.

где F – сила взаимодействия,
q – заряд.
Причём, как говорилось ранее, поле имеет направление, и это возникает именно исходя из того, что сила взаимодействия имеет направление (является векторной величиной: одноимённые заряды притягиваются, разноимённые – отталкиваются).
После того, как я написал этот урок, я попросил моего друга прочитать его, оценить, так скажем. Кроме того, я задал ему один интересный на мой взгляд вопрос как раз по теме этого материала. Каково же было моё удивление, когда он ответил неверно. Попробуйте и Вы ответить на этот вопрос (он помещен в раздел задач в конце урока) и аргументировать свою точку зрения в комментариях.
И последнее: поскольку поле может переместить заряд из одной точки пространства в другую, оно обладает энергией, а, следовательно, может совершать работу. Этот факт пригодится нам в дальнейшем при рассмотрении вопросов работы электрического тока.
На этом первый урок окончен, но у нас так и остался без ответа вопрос, почему же, в резиновых перчатках током не убьет. Оставим его как интригу на следующий урок. Спасибо за внимание, до новых встреч!

• Наличие свободных электронов в веществе является условием для возникновения электрического тока.
• Для возникновения электрического тока необходимо электрическое поле, которое существует только вокруг тел, обладающих зарядом.
• Направление протекания электрического тока обратно направлению движения свободных электронов – ток течёт от «плюса» к «минусу», а электроны наоборот – от «минуса» к «плюсу».
• Заряд электрона равен 1.602•10^-19 Кл
• Закон Кулона: модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Задачка:

• Предположим, что в городе-герое Москве имеется некая розетка, самая такая обычная розетка, которые есть и у Вас дома. Так же предположим, что мы протянули провода из Москвы во Владивосток и подключили во Владивостоке лампочку (опять же, лампа совершенно обычная, такая же освещает сейчас комнату и мне, и Вам). Итого, что мы имеем: лампочка, присоединенная к концам двух проводов во Владивостоке и розетку в Москве. Теперь вставим «московские» провода в розетку. Если мы не будем учитывать массу всяких условий и просто предположим, что лампочка во Владивостоке загорелась, то попробуйте предположить, доберутся ли электроны, которые в данный момент находятся в розетке в Москве в нить накала лампочки во Владивостоке? Что случится, если мы подключим лампочку не к розетке, а к аккумулятору?

← Введение | Содержание | Урок 2: Как пересчитать электроны →

Электричество | Заметки электрика

Здравствуйте, уважаемые читатели и гости сайта http://zametkielectrika.ru.

Сегодня я хочу рассказать Вам вкратце, что такое электричество.

А то все изучаем темы по электричеству, а про основы и внутренние процессы его возникновения даже не задумываемся.

Сильно углубляться в изучение происхождения и возникновения электричества мы не будем, т.к. это очень трудоемко и время затратно, а вот рассмотреть основы я считаю нужно.

Как Вы все знаете из курса школьной физики, а может и не знаете, все тела состоят из следующих мельчайших частиц:

• молекула
• молекула в свою очередь состоит из атомов
• атом состоит из протонов, нейтронов и электронов

Так вот каждая из перечисленных частиц обладает своим электрическим зарядом.

Заряд бывает положительным, либо отрицательным. Соответственно, тело с положительным зарядом всегда притягивается к телу с отрицательным зарядом. А два тела с положительными зарядами, либо отрицательными, всегда отталкиваются друг от друга.

Разноименные заряженные тела притягиваются, а одноименные — отталкиваются, т.е. в этот момент можно наблюдать тенденцию движения этих тел.

Интенсивность и скорость движения мельчайших частиц в телах зависит от множества следующих факторов:

• свет
• температура
• деформация
• трение
• химические реакции

Происхождение и возникновение электричества

Чуть выше я упоминал, что атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Так вот протоны (положительно заряженные) и нейтроны (нейтрально заряженные) это и есть само ядро атома. На изображении ниже смотрите из чего состоит атом.

Ядро атома всегда имеет положительный заряд. Нейтрон (показаны красным цветом) не обладает электрическим зарядом. Протон (показаны голубым цветом) обладает всегда положительным зарядом.

Вокруг этого ядра вращаются отрицательно заряженные электроны (изображены синим цветом), которые могут находиться от ядра на различном расстоянии, в зависимости от материала вещества. Расстояние, а точнее, энергетический уровень электрона, зависит от энергии, которую электрон может поглощать из вне (обычно от фотонов) и излучать. Этим занимаются электроны внешних электронных оболочек (самые удалённые от ядра). Если электрон «захапает» слишком много энергии, то может покинуть атом, о чём и говорится чуть ниже. Т.е. взаимодействие атома с другими атомами и прочими частицами происходит благодаря внешним электронам.

Заряд электрона в точности равен заряду протона по величине и противоположен по знаку. Поэтому в целом атом нейтрален.

Взаимодействие положительных протонов ядра с отрицательными электронами не всегда постоянно, и по мере удаления электронов от ядра оно уменьшается.

Т.е. получается, что количество электронов в атомах мы можем изменить.

Способы воздействия и факторы, воздействующие на тела я упоминал выше — это свет, температура, деформация, трение и различные химические реакции. А теперь о каждом воздействии поговорим подробнее.

 

Свет

Например, под воздействием светового излучения на вещество, из него могут вылететь электроны, которые в свою очередь заряжаются положительным зарядом. Такое явление в физике названо фотоэффектом. О нем мы поговорим в следующих статьях. Чтобы не пропустить новые статьи — подпишитесь на получение уведомления о выходе новых статей на сайте.

На явлении фотоэффекта основан принцип действия фотоэлементов.

 

Температура

При воздействии на вещество (тело) высокой температурой, удаленные от ядра электроны увеличивают свою скорость вращения вокруг ядра и в один прекрасный момент им хватает кинетической энергии, чтобы оторваться от ядра. В этом случае электроны становятся свободными частицами с отрицательными зарядами.

Такое явление в физике называется термоэлектронной эмиссией. Применяется это явление достаточно обширно. Но об этом в следующих статьях. Следите за обновлениями на сайте.

 

Химическая реакция

При химических реакциях в результате переноса зарядов образуются положительные и отрицательные полюсы. На этом основано устройство аккумуляторов.

 

Трение и деформация

При воздействии на некоторые тела трением, сжатием, растяжением или же просто деформировать их, то на их поверхности могут появиться электрические заряды. Такое явление физики называют пьезоэлектрическим эффектом, или сокращенно, пьезоэффектом.

 

Электродвижущая сила

При каждом способе воздействия на тело, в результате появляются небольшие источники двух полярностей: положительной и отрицательной. Каждая из этих полярностей имеет свою величину, которая называется потенциалом. Все Вы наверное слышали такое выражение.

Потенциал — это запасенная потенциальная энергия единицы количества электричества, находящейся в определенной точке электрического поля. 

Так вот, чем больше потенциал, тем больше разница между положительным и отрицательным полюсами. Эта вот самая разница потенциалов и есть электродвижущая сила (ЭДС).

Если цепь замкнуть, то под действием ЭДС источника в цепи появится электрический ток.

Единицей измерения разницы потенциалов является вольт. Измерить разницу потенциалов можно вольтметром, мультиметром или электроизмерительными клещами.

P.S. Все перечисленные способы получения электричества являются лишь небольшими примерами. Человек же создал на их основе более крупные источники энергии, такие как генераторы, аккумуляторы и прочее. 

Если статья была Вам полезна, то поделитесь ей со своими друзьями:

Атмосферное электричество — Энергетика и промышленность России — № 09 (317) май 2017 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 09 (317) май 2017 года

Одним из первых проводил опыты с воздушным электричеством Бенджамин Франклин – ученый и политический деятель, знакомый нам по портрету на стодолларовой купюре. Он изучал природу молний, запуская воздушного змея в грозу. Кстати, именно он изобрел громоотвод, конструкция которого практически не изменилась до наших дней, и ряд электростатических моторов.

Одновременно подобные опыты проводились и в других странах. Так, например, в России был убит молнией сподвижник Ломоносова Георг Рихман, когда в воздух поднимали провода, чтобы продемонстрировать, что электричество накапливается в облаках.

Земля – конденсатор

Сейчас природа атмосферного электричества достаточно хорошо изучена. Однако попытки использовать ее на благо человечества не прекращаются. Что вполне понятно: задачи получения «бесплатной» энергии волновали людей всегда.

Земля – хороший проводник электричества. Как и верхний слой атмосферы – ионосфера. Нижний же слой атмосферы обычно не проводит электричество, является электрическим изолятором. По сути – диэлектриком. Таким образом, планета и слои атмосферы являются огромным конденсатором, способным накапливать электроэнергию, подобно электрическому полю. Гигантский конденсатор постоянно заряжается в одних регионах и разряжается в других, создавая глобальный электрический контур. Таким образом, вероятно, вполне возможно создать атмосферную электростанцию, чтобы получать электричество из воздуха.

В нижних слоях атмосферы Земли идут интенсивные процессы испарения, переноса тепла и влаги, образования облаков, сопровождающиеся явлениями электризации. Молнии и осадки также переносят к земле отрицательный заряд. В результате, у поверхности Земли напряженность электростатического поля достигает 100‑150 В / м летом и до 300 В / м зимой. Перед грозой регистрируют напряженность поля до десятков киловольт на метр и выше! Мы почти не чувствуем этого поля просто потому, что воздух – хороший изолятор.

Таким образом, в вероятности, вполне возможно создать атмосферную электростанцию, чтобы получать электричество из воздуха.

Станция из воздушных шаров

Как могла бы выглядеть атмосферная электростанция? Один из возможных способов ее создания состоит в запуске в атмосферу группы высотных воздушных шаров, способных притягивать электричество. Эти шары соединяются электропроводами, которые также закрепляют их на земле в резервуарах, содержащих раствор воды и электролита. Если такой шар поднимется до нижних ионизированных слоев атмосферы, постоянный электрический ток потечет по проводу через растворенный электролит, что приведет к разложению воды на водород и кислород. Далее эти газы можно будет собрать так же, как в любом другом электролитическом устройстве. Водород можно использовать в качестве горючего для топливных элементов или для автомобилей на водородном топливе.

Эксперименты с аэростатами, изготовленными из тонких листов магниево-алюминиевого сплава, покрытого очень острыми, электролитическим способом изготовленными иглами, провел в Финляндии доктор Герман Плаусон. Иглы содержали также примесь радия, чтобы увеличить местную ионизацию воздуха. Поверхность аэростата также красили цинковой амальгамой, которая в солнечную погоду давала дополнительный ток вследствие фотоэффекта.

Плаусон получил мощность 0,72 кВт от одного аэростата и 3,4 кВт от двух, поднятых на высоту 300 м. На свои устройства он в 1920‑х гг. получил патенты США, Великобритании и Германии. Его книга «Получение и применение атмосферного электричества» содержит детальное описание всей технологии.

Доводы скептиков

Но действительно ли запасы электричества Земли велики?

По мнению скептиков, множество проектов по использованию электрического поля планеты опираются на совершенно мифические механизмы отбора энергии от глобального конденсатора.

Для начала стоит заметить, что возникают противоречия в подсчете емкости конденсатора, образованного поверхностью Земли и ионосферой (расхождение результатов – более чем в 1000 раз!).

Земной конденсатор заряжен до напряжения приблизительно 300 кВ, причем поверхность Земли имеет отрицательный заряд, а ионосфера – положительный. Напряженность поля между «обкладками» такого конденсатора составляет 120‑150 В / м у поверхности и резко падает с высотой.

Как у всякого конденсатора, в нем имеются токи утечки. Эти токи очень малы. Но пересчет на всю поверхность Земли дает суммарный ток утечки около 1800 А. А электрический заряд Земли оценивается в 5,7×105 степени кулон. То есть земной конденсатор должен разрядиться всего за 8‑10 мин.

На практике мы подобной картины не наблюдаем. Значит, существует некий природный генератор, мощностью более 700 МВт, компенсирующий потерю заряда системы Земля – ионосфера.

Современная наука оказалась бессильной объяснить механизмы подзарядки конденсатора. На сегодня существует более десяти гипотез, описывающих механизмы и процессы поддержания постоянного заряда Земли. Но экспериментальная проверка и уточненные расчеты показывают недостаточность количества вырабатываемых зарядов для поддержания стабильного значения поля Земли.

В числе кандидатов на генераторы зарядов рассматривались грозы, циркуляция токов в расплавленной мантии Земли, поток частиц от Солнца (солнечный ветер). Выдвигалась даже экзотическая гипотеза о существовании природного МГД генератора, работающего в верхних слоях атмосферы. Но сегодня наука точно не знает, откуда восполняются заряды природного конденсатора. Возможно, каждый из перечисленных механизмов дает свой вклад в пополнение заряда земного накопителя.

Попытки использовать напряженность поля Земли в утилитарных целях предпринимались более двух веков. Лучшее достижение – уже упомянутые конструкции с использованием аэростатов – позволили получить мощность около 1 кВт, а современные, реально работающие схемы позволяют лишь запитать маломощный светодиод или подзарядить мобильный телефон.

Дело в том, что проводимость атмосферного воздуха составляет только 10–14 степени Сименс / метров. Отобрать от столь высокоомного источника заметную мощность просто невозможно. Для этого детали «генератора» должны иметь более надежную изоляцию – иначе он быстро «закорачивается».

Воздушная электроэнергия

Однако доводы скептиков не останавливают экспериментаторов.

По их мнению, высокая разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой приводит к формированию мощного электрического поля в тропосфере и стратосфере. Заряд в этом суперконденсаторе поддерживается за счет солнечного излучения, космических лучей, а также радиоактивности земной коры. Все эти излучения взаимодействуют с магнитным полем Земли и атомами в верхних слоях атмосферы, пополняя заряд суперконденсатора.

Постоянный заряд атмосферного суперконденсатора составляет от 250  000 до 500  000 В, что сопоставимо с напряжением высоковольтных электрических линий. Однако разница электрических потенциалов поверхности Земли и атмосферы – это постоянный ток, а не переменный. Общее среднее значение силы тока, протекающего через атмосферный суперконденсатор, только в результате гроз составляет 1500 А (по два ампера на каждую из 750 гроз). Электрическая мощность в ваттах составляет произведение силы тока в амперах на напряжение в вольтах. Приведенные выше цифры означают, что земная атмосфера постоянно рассеивает несколько сотен миллионов ватт электроэнергии. Этой мощности хватает на полное пиковое обеспечение электроэнергией среднего города.

Преимущества и недостатки атмосферных электростанций

В качестве преимуществ отмечаются следующие факторы:

• земельно-ионосферный суперконденсатор постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии – солнца и радиоактивных элементов земной коры;
• атмосферная электростанция не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей;
• оборудование атмосферных станций не бросается в глаза. Воздушные шары находятся слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом;
• атмосферная электростанция способна вырабатывать энергию постоянно, если поддерживать шары в воздухе.

Недостатки:

• атмосферное электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать. Его необходимо либо использовать сразу же, на месте получения, либо преобразовывать в любую другую форму, например в водород;
• значительная разрядка земельно-ионосферного суперконденсатора может нарушить баланс глобального электрического контура. В этом случае последствия для окружающей среды будут непредсказуемы;
• высокое напряжение в системах атмосферных электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала;
• воздушные шары необходимого размера сложно обслуживать и поддерживать на необходимой высоте. Кроме того, они могут представлять опасность для авиации;
• общее количество электроэнергии, которую можно получать из атмосферы, ограничено. В лучшем случае атмосферная энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.

Если атмосферная электростанция когда‑либо будет построена, то наиболее вероятным местом ее расположения окажется некий островок в океане, а воздушные шары будут крепиться к земле двумя-тремя проводами. Попытка соорудить ее в жилом месте может привести к значительным разрушениям (например, во время торнадо).

Как работает электричество? | Учебный ресурс

Электричество связывает нашу повседневную жизнь. Но как работает электричество, кроме включения и выключения щелчков?

Многие из нас знакомы с такими связанными с электричеством терминами, как электроны, омы и Бенджамин Франклин, но это еще не все. Давайте посмотрим, как производится электричество, и разберемся, как оно работает.

Как работает электричество?

На самом фундаментальном уровне, электричество — это движение электронов между атомами. Длинный ряд электронов сталкивается друг с другом, создавая электрический поток. Однако нам нужно перейти на атомарный уровень, чтобы лучше понять, как на самом деле работает электричество.

Все об атомах

Атомы — это крохотные строительные блоки вселенной. — все во вселенной состоит из атомов, и каждый из них имеет размер в одну десятую миллионной миллиметра (0,0000001 мм). Чтобы дать вам представление о том, насколько это крошечный, булавочная головка, по оценкам, состоит из пяти миллионов атомов.

Внутри каждого атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вращающихся вокруг электронов. Эти электроны удерживаются на месте за счет электрической силы и размещаются в оболочках, называемых внутренней и внешней оболочками. Считается, что во Вселенной одинаковое количество протонов и электронов.

Протоны несут положительный заряд (+), а электроны — отрицательный заряд (-) — знаки, которые мы привыкли видеть на батареях. Протоны и электроны имеют электрический заряд, и этот заряд одинаков для обоих.Их тянет друг к другу — как пела Паула Абдул, противоположности притягиваются. Бенджамин Франклин открыл электрический заряд и назвал положительный и отрицательный заряды.

Электроны движутся на постоянном расстоянии от ядра, удерживаются на орбите своей оболочки с помощью электрической силы. В этом состоянии атом находится в равновесии. Электроны внутренней оболочки сильно притягиваются к протонам, но электроны внешней оболочки могут перемещаться. Если вы приложите достаточную силу к электрону внешней оболочки, его можно толкнуть к другому атому.Эти смещающиеся электроны создают электричество.

Мы используем это движение заряженных частиц — электрический заряд — с помощью проводников, таких как медная проволока, которые посылают электрический ток от источника энергии к тому, что мы хотим питать. Электроны не движутся по проводу; они сталкиваются друг с другом, передавая электрический заряд, и электричество течет, когда мы составляем полную электрическую цепь. Этот процесс дает нам электрический ток для питания наших светильников, стиральных машин и многого другого.

Статическое электричество

Статическое электричество возвращает нас к Бенджамину Франклину и его знаменитому эксперименту 1752 года. Он запустил воздушный змей во время грозы, чтобы улавливать электрическую энергию — вы не должны этого делать ни при каких обстоятельствах — и молния ударила в воздушный змей и полетела на Землю. . К счастью, Франклин был хорошо изолирован, и он пришел к выводу, что статическое электричество неба стало током во время его эксперимента.

Статическое электричество повсюду вокруг нас .Когда вы натираете шар о джемпер, он прилипает. Это движение выталкивает свободные электроны от вашей перемычки, которая теперь заряжена положительно, к воздушному шару, заряженному отрицательно. Противоположности притягиваются, и поэтому два материала слипаются.

переменного / постоянного тока

Два титана в истории электричества — Томас Эдисон и Никола Тесла. Они сражались в так называемой Войне течений года. Edison разработал постоянный ток, или DC, который течет в одном направлении и который трудно преобразовать в более высокие или более низкие напряжения.

Никола Тесла предложил в качестве лекарства переменный ток (AC). Переменный ток быстро меняет направление. В США это происходит 60 раз в секунду. Трансформатор помогает легко изменять напряжение в системах переменного тока.

В 19 веке преобладал переменный ток, но в последнее время вернулся. В компьютерах и электромобилях используется постоянный ток, а современные технологии позволяют изменять напряжение. Постоянный ток является постоянным, поэтому электричество можно транспортировать на большие расстояния по высоковольтным линиям электропередачи с меньшими потерями мощности.

Как производится электричество и из чего оно состоит?

Теперь, когда мы знаем, как работает электричество, мы можем посмотреть, как оно производится.

Когда мы перемещаем электроны, мы получаем электрическую энергию. Электричество — это название, которое мы даем типу энергии, получаемой из этой электрической энергии.

В целом электричество производится на электростанциях, а в последнее время — в возобновляемых формах, таких как ветряные турбины, солнечные батареи и гидроэнергетика.Независимо от источников энергии, для производства электричества с помощью электрогенераторов используется один и тот же метод:

Магниты + медная проволока + вращательное движение = электрический ток

На электростанциях

установлены огромные паровые турбины, которые очень быстро вращают большие магниты в катушках из медной проволоки, называемых генераторами. Будь то ядерная энергия, гидроэлектроэнергия или солнечная энергия, турбогенераторы вращают магниты.

Мы используем медный провод из-за его способности хорошо проводить электричество.В медной проводке используются изоляторы, такие как резина, для размещения провода в кабелях, поэтому мы не получаем поражения электрическим током.

Вернуться к электростанции. Быстро вращающиеся магниты толкают электроны, создавая магнитное поле и поток электронов, движущихся по медному проводу. Ток перемещается к линиям электропередачи и электрическим подстанциям, а затем к нашим домам и предприятиям.

Этот поток электронов составляет электричество.

Как измеряется энергия? В каких единицах?

Мы измеряем электричество и электрические единицы, используя несколько взаимосвязанных систем.Полезная аналогия — представить электрическую цепь как замкнутый контур водопроводных труб.

Первое измерение, которое следует учитывать, — это ампер или ампер (A). Эта единица измерения электрического тока в Международной системе единиц (СИ). Ампер — это постоянный ток или количество электронов, протекающих по цепи, или наша вода, протекающая по трубе.

Ом (Ом) — это то, как мы измеряем электрическое сопротивление. Медный провод является хорошим проводником и имеет небольшое сопротивление, поэтому он пропускает поток электронов и имеет низкое сопротивление (0.0000017 Ом). Думайте об омах как о диаметре водопроводных труб в вашем контуре.

Вольт (В) — это величина силы, которая толкает электроны через электрическую цепь, также известная как разность электрических потенциалов. Напряжение — это потенциал движения энергии. Снова возьмем пример с водопроводной трубой: чем выше давление, тем выше напряжение.

Все эти блоки связаны между собой. Один ампер равен величине тока, создаваемого силой в один вольт, действующей через сопротивление в один ом.

Ватт (Вт) — это единица измерения мощности, скорость выполнения работы, названная в честь шотландского изобретателя Джеймса Ватта. Мы привыкли видеть их на лампочках, которые были изобретены Томасом Эдисоном. Более яркая лампочка требует большей мощности, следовательно, ее более высокая мощность. Лампочка мощностью в один ватт каждую секунду преобразует один джоуль электрической энергии.

Наконец, у нас есть кулоны, которые являются единицей измерения заряда в системе СИ. Академия Хана определяет кулоны как количество заряда, протекающего при токе 1 ампер.

Например:

1 ампер = 1 кулон в секунду

или

1 кулон = 1 ампер⋅секунда

Почему важно электричество?

Электроэнергия является важной формой энергии на протяжении всей нашей жизни , и мы все больше зависим от электроэнергии. Отопление, освещение и бытовые приборы работают на электричестве, и скоро электромобили с электродвигателями станут гораздо более распространенным явлением во всем мире.

Пока мы можем достаточно быстро вращать магниты вокруг медного провода в генераторах, мы можем производить электричество. Ветряные турбины, гидроэлектростанции, паровые геотермальные электростанции и другие возобновляемые источники энергии означают, что если мы сделаем электричество нашим основным источником энергии, мы сможем создавать чистую энергию на протяжении тысячелетий.

Откуда у меня электричество?

Вы можете узнать, откуда поступает ваша электроэнергия, обратившись к поставщику энергии.В Соединенных Штатах ископаемое топливо — уголь, природный газ и нефть — являются тремя основными источниками производства электроэнергии. Атомные электростанции, энергия ветра, биомасса и гидроэлектростанции также производят электроэнергию.

Почему электричество не является источником энергии?

Электричество — это способ транспортировки энергии из одного места в другое; Сам по себе он не является источником энергии и считается вторичным источником энергии.

Ископаемое топливо, ядерная энергия или возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра или солнечная энергия, приводят в действие турбины и генераторы, которые вырабатывают электричество, являющееся энергоносителем.Как только электричество генерируется и транспортируется, его энергия преобразуется в другие формы энергии, например, в механическую энергию, такую ​​как электродвигатель в электромобиле.

Использование электроэнергии

В каждом доме есть широкий выбор электроприборов различной мощности и напряжения. Все они полны электрических компонентов, от резисторов до конденсаторов и транзисторов. Но сколько электроэнергии они потребляют, и во что это обходится вам как потребителю?

Вы всегда можете снизить свои счета, сменив текущего поставщика электроэнергии.Они также могут помочь вам выбрать, какой источник топлива вы предпочитаете. Станции, работающие на ископаемом топливе, производят углекислый газ, выделяя вредные выбросы в атмосферу.

Лучший способ определить, сколько электроэнергии потребляет прибор, — это посмотреть, сколько энергии он потребляет в ваттах. Для жителей США этот калькулятор энергии прибора может дать оценку стоимости эксплуатации каждого прибора.

Сколько электроэнергии потребляет телевизор?

Количество электроэнергии, потребляемой вашим телевизором, обычно зависит от размера его экрана.Вот некоторые приблизительные значения:

• Светодиодный телевизор 22 ″: 17 Вт
• Светодиодный телевизор 42 ″: 58 Вт
• Светодиодный телевизор 65 ″: 120 Вт

Поддержание 42-дюймового LED-телевизора в течение четырех часов стоит около трех центов в день, исходя из цены 12 центов за киловатт-час.

Сколько электроэнергии потребляет компьютер?

Существует много типов компьютеров, большинство из которых потребляет от 60 до 300 Вт. Вот несколько примеров использования электроэнергии:

• Chromebook: 45 Вт
• Amazon Echo Dot: 2 Вт
• Playstation 4: 300 Вт

Поддержание Playstation 4 в течение четырех часов стоит около 14 центов в день, исходя из цены в двенадцать центов за киловатт-час.

Сколько электроэнергии потребляет электрическая лампочка?

Энергопотребление лампочки показать проще: поищите количество ватт на упаковке. Поддержание 100-ваттной лампочки в течение четырех часов стоит около пяти центов в день, исходя из цены 12 центов за киловатт-час.

Сколько электроэнергии потребляет духовка?

Духовки бывают всех форм и размеров, и блюда требуют разной температуры и продолжительности приготовления.Большая часть приготовления осуществляется при температуре 300–425 градусов по Фаренгейту (150–220 по Цельсию), и большинство духовок потребляет от 1000 до 5000 Вт, при этом средняя современная духовка потребляет около 2400 Вт.

Поддержание печи мощностью 2500 Вт в течение часа стоит около 30 центов, исходя из цены 12 центов за киловатт-час.

Сколько электроэнергии потребляет переменный ток?

Кондиционеры бывают самых разных конфигураций. Общее использование зависит от наружной температуры, желаемой внутренней температуры, количества комнат, изоляции, модели переменного тока и многого другого.В квартире в Нью-Йорке не будет такой же потребности в кондиционировании, как в доме в Лос-Анджелесе.

Средний центральный блок переменного тока, работающий девять часов в день в летние месяцы, может потреблять от 3000 до 5000 Вт электроэнергии. При мощности 4000 Вт это означает, что каждый час работы блока переменного тока стоит 48 центов, исходя из цены 12 центов за киловатт-час.

Сколько электроэнергии потребляет сушилка?

Сушилка для белья имеет широкий диапазон потребляемой мощности от 1800 до 5000 Вт. Средняя машина потребляет около 3000 Вт.Использование блока мощностью 4000 Вт стоит 36 центов за час работы, исходя из цены 12 центов за киловатт-час.

Диммеры потребляют меньше электроэнергии?

Короткий ответ — да. Современные диммеры потребляют меньше электроэнергии. Старые диммеры добавляли бы сопротивление цепи, и вместо того, чтобы создавать свет, электричество генерировало больше тепла.

Современные диммеры используют переключатель TRIAC для отключения и включения электричества сотни раз в секунду. Количество энергии, достигающей лампочки, меньше, что делает ее более тусклой и потребляет меньше электроэнергии.

Сколько электроэнергии я использую?

Чтобы решить эту проблему, вам нужно изучить несколько ваших предыдущих счетов за электроэнергию. Использование электроэнергии зависит от времени года, погоды и многих других факторов.

Проверьте расчетный период, а также использованную энергию в своем счете за электроэнергию. Также должен быть раздел под названием «Использование». Он должен быть указан в использованных киловатт-часах (кВтч) и показывать, сколько стоит каждый киловатт-час.

Если вы хотите подсчитать, сколько электроэнергии вы потребляете на каждый прибор, возьмите его мощность и умножьте на количество часов, которое вы используете каждый день.

Каково среднее потребление электроэнергии в домах?

По данным Управления энергетической информации США, среднее годовое потребление электроэнергии потребителем коммунальных услуг в США в 2019 году составило 10 649 киловатт-часов (кВтч), в среднем около 877 кВтч в месяц.

Луизиана была самой высокой с годовым потреблением электроэнергии 14 787 кВтч на бытового потребителя, а Гавайи самым низким — 6 296 кВтч.

Напротив, в 2018 году средний показатель U.K. Годовое потребление электроэнергии на одного бытового потребителя колебалось в пределах 3 231–4 153 кВтч.

Электроснабжение для всех нас

Электричество — это вторичный источник энергии, созданный на атомном уровне благодаря притяжению протонов и электронов. Он генерируется, когда мы перемещаем электроны. Когда мы перемещаем эту энергию по проводящим проводам, электричество попадает в наши дома и на предприятия. Мы преобразуем электрическую энергию в полезную механическую энергию, чтобы приводить в действие машины, улучшая нашу повседневную жизнь.

Принесено вам amigoenergy

Все изображения лицензированы Adobe Stock.
Рекомендуемое изображение:

Как человеческое тело использует электричество

Автор: Amber Plante

Электричество есть везде, даже в человеческом теле. Наши клетки предназначены для проведения электрических токов. Электричество требуется нервной системе, чтобы посылать сигналы по всему телу и в мозг, позволяя нам двигаться, думать и чувствовать.

Итак, как клетки контролируют электрические токи?

Элементы нашего тела, такие как натрий, калий, кальций и магний, обладают определенным электрическим зарядом. Почти все наши клетки могут использовать эти заряженные элементы, называемые ионами, для выработки электричества.

Содержимое клетки защищено от внешней среды клеточной мембраной. Эта клеточная мембрана состоит из липидов, которые создают барьер, через который только определенные вещества могут проникнуть внутрь клетки.Мало того, что клеточная мембрана действует как барьер для молекул, она также действует как способ для клетки генерировать электрические токи. Покоящиеся клетки заряжены отрицательно изнутри, тогда как внешняя среда заряжена более положительно. Это происходит из-за небольшого дисбаланса между положительными и отрицательными ионами внутри и снаружи клетки. Клетки могут достичь разделения зарядов, позволяя заряженным ионам входить и выходить через мембрану. Поток зарядов через клеточную мембрану — это то, что генерирует электрические токи.

Клетки контролируют поток определенных заряженных элементов через мембрану с помощью белков, которые находятся на поверхности клетки и создают отверстие для прохождения определенных ионов. Эти белки называются ионными каналами. Когда клетка стимулируется, это позволяет положительным зарядам проникать в клетку через открытые ионные каналы. Затем внутренняя часть клетки становится более положительно заряженной, что вызывает дополнительные электрические токи, которые могут превращаться в электрические импульсы, называемые потенциалами действия. Наше тело использует определенные модели потенциалов действия, чтобы инициировать правильные движения, мысли и поведение.

Нарушение электрического тока может привести к болезни. Например, чтобы сердце могло перекачивать кровь, клетки должны генерировать электрические токи, которые позволяют сердечной мышце сокращаться в нужное время. Врачи могут даже наблюдать эти электрические импульсы в сердце с помощью аппарата, называемого электрокардиограммой или ЭКГ. Нерегулярные электрические токи могут помешать правильному сокращению сердечных мышц, что приведет к сердечному приступу. Это всего лишь один пример, показывающий важную роль электричества в здоровье и болезнях.

Ссылки
CrashCourse. «Нервная система, часть 2 — Действие! Потенциал! Ускоренный курс A&P № 9 ». Видео на YouTube, 11:43. 2 марта 2015 г. https://www.youtube.com/watch?v=OZG8M_ldA1M.
Основы анатомии и физиологии. «Каналы с ограничением по напряжению и потенциал действия». McGraw-Hill Co., Видео. 2016. http://highered.mheducation.com/sites/0072943696/student_view0/chapter8/animation__voltage-gated_channels_and_the_action_potential__quiz_1_.html.
Нельсон, Дэвид Л. и Майкл М. Кокс.2013. Принципы биохимии Ленингера, 6-е изд. Книга. 6-е изд. Нью-Йорк: W.H. Фриман и Ко. Doi: 10.1016 / j.jse.2011.03.016.

Как работает электричество? | Блог Vivint Solar

Как работает электричество?

Электричество работает, собирая вместе несколько проводящих элементов и создавая через них поток структур, похищающих электроны. Этот поток называется текущим. Проводники должны быть окружены изоляторами, чтобы электроны могли двигаться только в одном направлении.Как только вы сможете контролировать направление движения электронов, вы сможете использовать их для питания или зарядки чего угодно — от лампочки до телевизора и электромобиля. Все, что вам нужно сделать, это продолжать снабжать ваши атомы проводника дополнительными электронами. В тот момент, когда у них заканчиваются электроны, чтобы отобрать друг у друга, ваше электронное устройство перестает работать.

По сути, так работает электричество.

Прочие термины, связанные с электричеством

Это некоторые общие термины, которые стоит понять, если вы хотите узнать больше об электричестве.

Сопротивление — резисторы

Не все проводники одинаково хорошо проводят электричество. Некоторые элементы являются лучшими проводниками, чем другие. Скорость электронов в токе, с которым проводник перемещает электричество, называется сопротивлением. Чем медленнее по проводнику движутся электроны, тем большее сопротивление он имеет. Чем быстрее проводник, тем меньше у него сопротивление.

Эта концепция важна, если вы хотите запитать что-то, способное обрабатывать только ограниченное количество электроэнергии.Например, лампочка взорвется, если вы попытаетесь протолкнуть через нее достаточно большой электрический ток.

У нас есть резисторы, которые лучше контролируют количество электричества, протекающего по цепи. Резистор — это объект, сделанный из проводящего материала, который имеет более высокое сопротивление, чем провода в цепи. Он действует как плотина и замедляет электричество, чтобы ваши лампочки не взорвались.

Ток

Есть два типа тока. Есть постоянный ток (DC) и переменный ток (AC.) Ток объясняет, как электричество течет в системе. Если у вас есть что-то вроде телефона, вероятно, он использует постоянный ток. Это означает, что электричество покидает один конец батареи, проходит по всему телефону, а затем возвращается обратно в батарею.

Переменный ток — это когда направление или поток электронов быстро меняет направление. Это позволяет электричеством заряжать несколько устройств одновременно. Ваш дом, вероятно, работает от сети переменного тока. Вот почему вы можете подключать вещи к розеткам или перемещать другую электронику.Ваши розетки устроены так, что они обеспечивают электричеством все, так что им не нужно ждать своей очереди на электричество.

Трансформаторы

Трансформаторы используются для увеличения или уменьшения напряжения в среде переменного тока. Они могут работать как резисторы, но при необходимости могут повышать напряжение.

Где во всем этом вписывается солнечная энергия?

Мы можем наслаждаться чистой солнечной энергией благодаря материалу под названием селен. Десятилетия назад эксперты выяснили, что селен является фотопроводящим, то есть при воздействии солнечного света он становится полупроводником.

Благодаря селену и другим недавно обнаруженным материалам мы можем использовать электромагнитное излучение для поглощения солнечного света панелью, которая затем освобождает электроны от солнечного света, создавая электричество.

По мере развития технологий солнечные панели становятся все более и более эффективными в высвобождении электронов из солнечных лучей для выработки энергии. Надеюсь, однажды мы сможем использовать целый луч для питания наших домов и автомобилей.

До тех пор мы все еще можем пользоваться преимуществами чистой солнечной энергии, которая в дальнейшем была основана на работе таких людей, как Томас Эдисон и Никола Тесла.

Если вы хотите узнать больше о преимуществах чистого солнечного электричества, свяжитесь с одним из наших представителей сегодня.

Семь основных источников электроэнергии, о которых вы должны знать

Само представление о мире без электричества кажется невозможным. Это один из величайших даров науки человечеству. Практически все в нашем мире сегодня зависит от электроэнергии.

Ожидается, что электрическая зависимость со временем будет только расти. По оценкам, в 2018 году мировой спрос на электроэнергию вырос до 23000 ТВтч, и это число, вероятно, будет увеличиваться с каждым годом.Этот стремительно растущий спрос отвечает за половину роста потребностей в энергии и составляет 20%, долю в общем потреблении энергии во всем мире.

СВЯЗАННЫЕ: 3+ РАЗЛИЧНЫХ ТИПА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ, ГЕНЕРИРУЮЩИХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ ДЛЯ США

Эти статистические данные ясно показывают, что электричество — это генератор будущего. Тем не менее, как мы можем генерировать такое ошеломляющее количество электроэнергии для удовлетворения постоянно растущих потребностей? Давайте узнаем!

Определение электричества

Электричество можно определить как форму энергии, которая вырабатывается в результате потока электронов из положительных и отрицательных точек внутри проводника.Мы рассматриваем электричество как вторичный источник энергии.

Это связано с тем, что он не является готовым продуктом, а должен быть получен из первичных источников, таких как ветер, солнечный свет, уголь, природный газ, реакции ядерного деления и гидроэнергетика.

Вот несколько основных способов, с помощью которых мы можем производить электричество, и как это можно сделать!

1. Электричество через трение

Первые наблюдения электрических явлений были сделаны в Древней Греции.Это произошло, когда философ Фалес Милетский (640–546 гг. До н.э.) обнаружил, что когда янтарные бруски натирают о загорелую кожу, они приобретают привлекательные характеристики, которыми они раньше не обладали.

Это тот же эксперимент, который теперь можно провести, протерев пластиковый стержень тканью. Поднося его ближе к маленьким кусочкам бумаги, он притягивает их, как это характерно для наэлектризованных тел.

Все мы знакомы с эффектами статического электричества. Некоторые люди более подвержены влиянию статического электричества, чем другие.Некоторые пользователи автомобилей ощущают его воздействие при нажатии на ключ или прикосновении к пластине автомобиля.

Мы создаем статическое электричество, когда протираем ручку одеждой. То же самое происходит, когда мы натираем стекло о шелк или янтарь с шерсти.

Следовательно, понятия заряда и подвижности необходимы при изучении электричества, и без них электрический ток не мог бы существовать.

2. Электричество за счет химического воздействия

Все батареи состоят из электролита (который может быть жидким, твердым или полутвердым), положительного электрода и отрицательного электрода.Электролит — это ионный проводник.

Один из электродов производит электроны, а другой электрод их принимает. Когда электроды подключены к питаемой цепи, они производят электрический ток.

Батареи, в которых химическое вещество не может вернуться в исходную форму после преобразования химической энергии в электрическую, называются первичными или гальваническими батареями.

Батареи или аккумуляторы двусторонние.В этих типах батарей химическое вещество, которое реагирует в электродах с образованием электрической энергии, может быть восстановлено путем пропускания через него электрического тока в направлении, противоположном нормальному режиму работы батареи.

3. Электричество под действием света

По мере того, как солнечный свет становится более интенсивным, напряжение, генерируемое между двумя слоями фотоэлемента, увеличивается. Но как работает фотоэлемент?

При отсутствии света система не вырабатывает энергию.Когда солнечный свет попадает на пластину, клетка начинает функционировать. Фотоны солнечного света взаимодействуют с доступными электронами и увеличивают их энергетические уровни.

Таким образом, электричество вырабатывается за счет солнечной энергии.

4. Тепловое электричество за счет теплового воздействия

Тепловая генерирующая установка — это тип установки, в которой турбина, приводимая в действие паром под давлением, используется для перемещения оси электрогенераторов. Обычные тепловые электростанции и атомные тепловые электростанции используют энергию, содержащуюся в сжатом паре.

Самый простой пример — подключить чайник, полный кипятка, к лопастному колесу, которое, в свою очередь, соединено с генератором. Струя пара из котла приводит в движение ротор.

Следовательно, мы можем получать пар разными способами, например, сжигая уголь, нефть, газ, городские отходы или используя большое количество тепла, выделяемого в результате ядерных реакций деления. Вы даже можете производить пар, концентрируя солнечную энергию.

Не будет ошибкой сказать, что тепловая энергия — один из самых распространенных способов производства электроэнергии.

5. Электричество через магнетизм

В 1819 году датский физик Ганс Кристиан Эрстед сделал необычайное открытие, обнаружив, что магнитную стрелку можно отклонить электрическим током. Это открытие, которое показало связь между электричеством и магнетизмом, было разработано французским ученым Андре Мари Ампером.

Ампер изучил силы между проводами, по которым циркулируют электрические токи. Известно, что французский физик Доминик Франсуа Араго намагничивал железо, помещая его рядом с кабелем, по которому проходит ток.

После этого, в 1831 году, британский ученый Майкл Фарадей обнаружил, что движение магнита вблизи кабеля индуцирует в нем электрический ток. Этот эффект был противоположен обнаруженному Эрстедом.

Таким образом, Эрстед продемонстрировал, что электрический ток может создавать магнитное поле. С другой стороны, Фарадей продемонстрировал, что мы можем использовать магнитное поле для создания электрического тока. Оба открытия являются новаторскими.

В этом контексте полное смешение теорий магнетизма и электричества произошло благодаря британскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу.Максвелл предсказал существование электромагнитных волн и определил свет как электромагнитное явление.

Очевидно, потребовалось много ученых и исследователей, чтобы сделать вывод, что электричество также может быть произведено с помощью магнетизма.

6. Электроэнергия, вырабатываемая под давлением

Давление, оказываемое подземными водными потоками, — это процесс, используемый на больших судах в качестве альтернативной энергии для основной системы. В плотинах электричество вырабатывается путем выпуска контролируемого потока воды под высоким давлением через принудительный трубопровод.

Вода приводит в движение турбины, которые приводят в движение генераторы и, таким образом, вырабатывают электрический ток. Этот высокий ток низкого напряжения затем проходит через усилитель напряжения, который преобразует его в электричество.

7. Гидравлическое электричество за счет действия воды

Из всех перечисленных выше способов получения энергии магнитная энергия чаще всего используется для производства электроэнергии в больших количествах. Его изготовление основано на том, что при перемещении проводника в присутствии магнита в проводнике происходит упорядоченное движение электронов.

Это происходит в результате сил притяжения и отталкивания, вызванных магнитным полем. Работа генераторов, двигателей и динамо-машин основана на этой форме производства электроэнергии.

Примечательно, что гидроэлектроэнергия вырабатывает около 9% электроэнергии в США. Более того, он является возобновляемым и может производиться с очень небольшим количеством выбросов.

СВЯЗАННЫЕ С: 21 ТОП-ПЛОТИНЫ В МИРЕ, КОТОРЫЕ ДЕЛАЮТ НАИБОЛЬШОЕ КОЛИЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Производство электроэнергии имеет богатую историю и еще более светлое будущее.Согласно прогнозам Института энергетических исследований, ископаемое топливо продолжит сохранять свой статус ведущего источника производства электроэнергии в США до 2040 года.

Центр данных по альтернативным видам топлива: Производство и распределение электроэнергии

Подключаемые гибридные электромобили (PHEV) и полностью электрические транспортные средства (EV) — собирательно именуемые подзаряжаемыми электромобилями (PEV) — накапливают электричество в батареях для питания одного или нескольких электродвигателей.Батареи заряжаются в основном путем подключения к внешним источникам электроэнергии, произведенной из природного газа, угля, ядерной энергии, энергии ветра, гидроэнергии и солнечной энергии.

Электромобили

, а также PHEV, работающие в полностью электрическом режиме, не производят выхлопных газов. Однако существуют выбросы, связанные с производством большей части электроэнергии в Соединенных Штатах. См. Раздел о выбросах для получения дополнительной информации о местных источниках электроэнергии и выбросах.

Производство

По данным U.По данным Управления энергетической информации США, большая часть электроэнергии в стране в 2019 году была произведена за счет природного газа, угля и ядерной энергии.

Электроэнергия также производится из возобновляемых источников, таких как гидроэнергия, биомасса, ветер, геотермальная энергия и солнечная энергия. В совокупности возобновляемые источники энергии произвели около 17% электроэнергии страны в 2019 году.

За исключением фотоэлектрической (PV) генерации, первичные источники энергии используются прямо или косвенно для перемещения лопаток турбины, подключенной к электрическому генератору.Турбогенератор преобразует механическую энергию в электрическую. В случае природного газа, угля, ядерного деления, биомассы, нефти, геотермальной энергии и солнечной энергии выделяемое тепло используется для создания пара, который перемещает лопасти турбины. В случае ветроэнергетики и гидроэнергетики лопасти турбины перемещаются непосредственно потоком ветра и воды соответственно. Солнечные фотоэлектрические панели преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество с помощью полупроводников.

Количество энергии, производимой каждым источником, зависит от сочетания видов топлива и источников энергии, используемых в вашем районе.Чтобы узнать больше, см. Раздел о выбросах. Узнайте больше о производстве электроэнергии в Управлении энергетической информации Министерства энергетики США.

Передача и распределение электроэнергии

Электроэнергия в Соединенных Штатах часто перемещается на большие расстояния от генерирующих объектов до местных распределительных подстанций через сеть передачи высоковольтных линий протяженностью почти 160 000 миль. Генерирующие объекты обеспечивают энергоснабжение сети при низком напряжении от 480 вольт (В) на малых генерирующих объектах до 22 киловольт (кВ) на более крупных электростанциях.Когда электричество покидает генерирующую установку, напряжение повышается или «повышается» с помощью трансформатора (типичные диапазоны от 115 кВ до 765 кВ), чтобы минимизировать потери мощности на больших расстояниях. Поскольку электричество передается через сеть и поступает в зоны нагрузки, напряжение понижается трансформаторами подстанции (диапазоны от 69 кВ до 4,16 кВ). Чтобы подготовиться к подключению клиентов, напряжение снова снижается (бытовые клиенты используют 120/240 В; коммерческие и промышленные клиенты обычно используют 208/120 В или 480/277 В).

Подключаемые автомобили и электрическая инфраструктура

Полностью электрические автомобили и гибридные электромобили с подзарядкой от электросети представляют собой новый спрос на электроэнергию, но они вряд ли в ближайшем будущем перегрузят большую часть наших существующих генерирующих ресурсов. Значительное увеличение количества этих транспортных средств в Соединенных Штатах не обязательно потребует добавления новых мощностей по выработке электроэнергии в зависимости от того, когда, где и на каком уровне мощности заряжаются транспортные средства.

Спрос на электроэнергию растет и падает в зависимости от времени суток и времени года. Мощности по производству, передаче и распределению электроэнергии должны удовлетворять спрос в периоды пикового использования; но большую часть времени электроэнергетическая инфраструктура не работает на полную мощность. В результате электромобили и PHEV могут создавать небольшую потребность в дополнительных мощностях или вовсе не нуждаться в них.

Согласно исследованию Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, существующая электроэнергетическая инфраструктура США обладает достаточной мощностью, чтобы удовлетворить около 73% потребностей в энергии легковых автомобилей страны.Согласно моделям развертывания, разработанным исследователями из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), разнообразие бытовых электрических нагрузок и электрических нагрузок должно позволить введение и рост рынка PEV при расширении сетей «умных сетей». Интеллектуальные сетевые сети обеспечивают двустороннюю связь между коммунальным предприятием и его потребителями, а также контроль линий электропередачи с помощью интеллектуальных счетчиков, интеллектуальных приборов, возобновляемых источников энергии и энергоэффективных ресурсов. Интеллектуальные сетевые сети могут обеспечить возможность мониторинга и защиты жилой распределительной инфраструктуры от любых негативных воздействий из-за увеличения спроса на электроэнергию со стороны транспортных средств, поскольку они способствуют зарядке в непиковые периоды и сокращают расходы для коммунальных предприятий, операторов сетей и потребителей.

Анализ NREL также продемонстрировал потенциал синергии между PEV и распределенными источниками возобновляемой энергии. Например, маломасштабные возобновляемые источники энергии, такие как солнечные панели на крыше, могут как обеспечить чистую энергию для транспортных средств, так и снизить спрос на распределительную инфраструктуру за счет выработки электроэнергии вблизи точки использования.

Коммунальные предприятия, производители транспортных средств, производители зарядного оборудования и исследователи работают над тем, чтобы обеспечить плавную интеграцию PEV в U.S. электроэнергетическая инфраструктура. Некоторые коммунальные предприятия предлагают более низкие тарифы в непиковое время, чтобы стимулировать зарядку бытовых транспортных средств, когда спрос на электроэнергию самый низкий. Транспортные средства и многие типы зарядного оборудования (также известного как оборудование для подачи электроэнергии на электромобили или EVSE) можно запрограммировать так, чтобы зарядка была отложена до непиковых периодов. «Умные» модели даже способны связываться с сетью, агрегаторами нагрузки или владельцами объектов / домов, что позволяет им автоматически взимать плату, когда спрос на электроэнергию и цены на нее наиболее благоприятны; например, когда цены самые низкие, соответствуют потребностям местного распределения (например, температурным ограничениям) или соответствуют требованиям возобновляемой генерации.

Как работает аккумулятор — Любопытно

Представьте себе мир без батарей. Все портативные устройства, от которых мы так зависим, были бы настолько ограничены! Мы сможем доставить наши ноутбуки и телефоны настолько далеко, насколько это досягаемо для их кабелей, что сделает это новое работающее приложение, которое вы только что загрузили на свой телефон, практически бесполезным.

К счастью, у нас есть батарейки. Еще в 150 г. до н.э. в Месопотамии парфянская культура использовала устройство, известное как багдадская батарея, сделанное из медных и железных электродов с уксусом или лимонной кислотой.Археологи считают, что на самом деле это не батареи, а в основном они использовались для религиозных церемоний.

Изобретение батареи в том виде, в котором мы ее знаем, приписывают итальянскому ученому Алессандро Вольта, который собрал первую батарею, чтобы доказать свою точку зрения другому итальянскому ученому Луиджи Гальвани. В 1780 году Гальвани показал, что лапки лягушек, подвешенных на железных или латунных крючках, подергиваются при прикосновении к зонду из другого металла. Он считал, что это было вызвано электричеством из тканей лягушек, и называл это «животным электричеством».

Луиджи Гальвани обнаружил, что лапы лягушек, подвешенных на латунных крючках, дергались, когда их ткнули зондом из другого металла. Он думал, что эта реакция была вызвана «животным электричеством» внутри лягушки. Источник изображения: Луиджи Гальвани / Wikimedia Commons.

Вольта, первоначально впечатленный открытиями Гальвани, пришел к выводу, что электрический ток исходит от двух разных типов металла (крючки, на которых висели лягушки, и другой металл зонда) и просто передается через них, а не через них. из тканей лягушек.Он экспериментировал со стопками слоев серебра и цинка, перемежаемых слоями ткани или бумаги, пропитанной соленой водой, и обнаружил, что электрический ток действительно течет через провод, приложенный к обоим концам стопки.

Батарея Алессандро Вольта: куча цинковых и серебряных листов, перемежаемых тканью или бумагой, пропитанной соленой водой. Представьте, что вы используете это для питания вашего телефона. Источник изображения: Луиджи Кьеза / Wikimedia Commons.

Volta также обнаружил, что, используя различные металлы в сваях, можно увеличить количество напряжения.Он описал свои открытия в письме Джозефу Бэнксу, тогдашнему президенту Лондонского королевского общества, в 1800 году. Это было довольно большое дело (Наполеон был весьма впечатлен!), И его изобретение принесло ему устойчивое признание в честь «вольта». ‘(мера электрического потенциала), названная в его честь.

Я сам, шутя в сторону, поражен тем, как мои старые и новые открытия … чистого и простого электричества, вызванного контактом металлов, могли вызвать такое волнение. Алессандро Вольта

Так что же именно происходило с этими слоями цинка и серебра и с дрожащими лягушачьими лапами?

Химия батареи

Батарея — это устройство, которое накапливает химическую энергию и преобразует ее в электричество.Это известно как электрохимия, а система, лежащая в основе батареи, называется электрохимическим элементом. Батарея может состоять из одного или нескольких (как в оригинальной кучке Вольты) электрохимических ячеек. Каждая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных электролитом.

Итак, откуда электрохимический элемент получает электричество? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно знать, что такое электричество. Проще говоря, электричество — это тип энергии, производимый потоком электронов.В электрохимической ячейке электроны образуются в результате химической реакции, которая происходит на одном электроде (подробнее об электродах ниже!), А затем они перетекают на другой электрод, где расходуются. Чтобы понять это должным образом, нам нужно внимательнее изучить компоненты клетки и то, как они устроены вместе.

Электроды

Чтобы создать поток электронов, вам нужно где-то, чтобы электроны текли от , и где-то электроны текли с на .Это электроды ячейки. Электроны текут от одного электрода, называемого анодом (или отрицательным электродом), к другому электроду, называемому катодом (положительный электрод). Обычно это разные типы металлов или другие химические соединения.

В котле Вольта анодом служил цинк, от которого электроны текли по проволоке (при подключении) к серебру, которое было катодом батареи. Он сложил много этих ячеек вместе, чтобы получилась общая куча, и поднял напряжение.

Но откуда анод вообще берет все эти электроны? И почему они так счастливы, что их отправили в веселый путь к катоду? Все сводится к химии, происходящей внутри клетки.

Нам нужно понять пару химических реакций. На аноде электрод реагирует с электролитом в реакции, в которой образуются электроны. Эти электроны накапливаются на аноде. Между тем, на катоде одновременно происходит другая химическая реакция, которая позволяет этому электроду принимать электроны.

Технический химический термин, обозначающий реакцию, которая включает обмен электронами, — это реакция окисления-восстановления, обычно называемая окислительно-восстановительной реакцией. Вся реакция может быть разделена на две половинные реакции, и в случае электрохимической ячейки одна полуреакция происходит на аноде, а другая — на катоде. Уменьшение — это усиление электронов, и это то, что происходит на катоде; мы говорим, что катод восстанавливается во время реакции. Окисление — это потеря электронов, поэтому мы говорим, что анод окисляется.

Каждая из этих реакций имеет определенный стандартный потенциал. Думайте об этой характеристике как о способности / эффективности реакции либо производить, либо поглощать электроны — ее силу в электронном перетягивании каната.

• Стандартные потенциалы полуреакций

  Ниже приведен список половинных реакций, которые включают высвобождение электронов из чистого элемента или химического соединения. Рядом с реакцией указано число (E ⁰ ), которое сравнивает силу электрохимического потенциала реакции с силой готовности водорода расстаться со своим электроном (если вы посмотрите вниз по списку, вы увидите, что водородная полуреакция имеет нулевое значение E ⁰ ).E ⁰ измеряется в вольтах.

  Причина, по которой этот список настолько интересен, заключается в том, что если вы выберете две реакции из списка и объедините их в электрохимическую ячейку, значения E ⁰ скажут вам, в каком направлении будет протекать общая реакция: реакция с более отрицательной реакцией. Значение E ⁰ отдает свои электроны другой реакции, и это определяет анод и катод вашей ячейки. Разница между двумя значениями E ⁰ говорит вам об электрохимическом потенциале вашей ячейки, который в основном представляет собой напряжение ячейки.

  Итак, если вы возьмете литий и фторид и сумеете объединить их, чтобы сделать элемент батареи, у вас будет самое высокое напряжение, теоретически достижимое для электрохимического элемента. Этот список также объясняет, почему в котле Вольта цинк был анодом, а серебро — катодом: полуреакция цинка имеет более низкое (более отрицательное) значение E ⁰ (-0,7618), чем полуреакция серебра (0,7996). .

  Источник: UC Davis ChemWiki

Любые два проводящих материала, которые вступают в реакцию с разными стандартными потенциалами, могут образовывать электрохимическую ячейку, потому что более сильный из них сможет забирать электроны у более слабого.Но идеальным выбором для анода был бы материал, который вызывает реакцию со значительно более низким (более отрицательным) стандартным потенциалом, чем материал, который вы выбираете для своего катода. В итоге мы получаем электроны, притягивающиеся к катоду от анода (и анод не очень сильно пытается сопротивляться), и когда у нас есть легкий путь туда — проводящий провод — мы можем использовать их энергию для обеспечения электрического питание нашего фонарика, телефона или чего-то еще.

Разница в стандартном потенциале между электродами как бы равна силе, с которой электроны перемещаются между двумя электродами.Это известно как общий электрохимический потенциал ячейки, и он определяет напряжение ячейки. Чем больше разница, тем больше электрохимический потенциал и выше напряжение.

Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, у нас есть два варианта. Мы могли бы выбрать для наших электродов другие материалы, которые придадут ячейке больший электрохимический потенциал. Или мы можем сложить несколько ячеек вместе. Когда элементы объединяются определенным образом (последовательно), это оказывает аддитивное влияние на напряжение батареи.По сути, силу, с которой электроны движутся через батарею, можно рассматривать как общую силу, когда они движутся от анода первого элемента на всем пути, сколько бы ячеек ни содержала батарея, к катоду последнего элемента.

Когда элементы объединяются другим способом (параллельно), это увеличивает возможный ток батареи, который можно рассматривать как общее количество электронов, протекающих через элементы, но не ее напряжение.

Электролит

Но электроды — это всего лишь часть батареи.Помните обрывки бумаги Вольты, пропитанные соленой водой? Соленая вода была электролитом, еще одной важной частью картины. Электролит может быть жидкостью, гелем или твердым веществом, но он должен обеспечивать движение заряженных ионов.

Электронов имеют отрицательный заряд, и поскольку мы посылаем поток отрицательных электронов по нашей цепи, нам нужен способ уравновесить это движение заряда. Электролит обеспечивает среду, через которую могут протекать положительные ионы, уравновешивающие заряд.

Поскольку химическая реакция на аноде производит электроны, для поддержания баланса нейтрального заряда на электроде также производится соответствующее количество положительно заряженных ионов. Они не проходят по внешнему проводу (только для электронов!), А попадают в электролит.

В то же время катод должен также уравновешивать отрицательный заряд электронов, которые он принимает, поэтому реакция, которая здесь происходит, должна втягивать положительно заряженные ионы из электролита (альтернативно, он также может высвобождать отрицательно заряженные ионы из электрода в электролит. электролит).

Итак, в то время как внешний провод обеспечивает путь для потока отрицательно заряженных электронов, электролит обеспечивает путь для переноса положительно заряженных ионов, чтобы уравновесить отрицательный поток. Этот поток положительно заряженных ионов так же важен, как и электроны, обеспечивающие электрический ток во внешней цепи, которую мы используем для питания наших устройств. Роль балансировки заряда, которую они выполняют, необходима для поддержания протекания всей реакции.

Так вот, если бы все ионы, высвобожденные в электролит, могли полностью свободно перемещаться через электролит, они в конечном итоге покрыли бы поверхности электродов и забили бы всю систему.Таким образом, в клетке обычно есть какой-то барьер, чтобы этого не произошло.

При использовании батареи возникает ситуация, когда происходит непрерывный поток электронов (через внешнюю цепь) и положительно заряженных ионов (через электролит). Если этот непрерывный поток остановлен — если цепь разомкнута, например, когда ваш фонарик выключен — поток электронов остановлен. Заряды будут накапливаться, и химические реакции, приводящие в движение аккумулятор, прекратятся.

По мере использования батареи и протекания реакций на обоих электродах возникают новые химические продукты.Эти продукты реакции могут создавать своего рода сопротивление, которое может помешать продолжению реакции с такой же эффективностью. Когда это сопротивление становится слишком большим, реакция замедляется. Электронное перетягивание каната между катодом и анодом также теряет свою силу, и электроны перестают течь. Аккумулятор медленно разряжается.

Зарядка аккумулятора

Некоторые распространенные батареи предназначены только для одноразового использования (так называемые первичные или одноразовые батареи).Электроны перемещаются от анода к катоду в одну сторону. Либо их электроды истощаются по мере того, как они выделяют свои положительные или отрицательные ионы в электролит, либо накопление продуктов реакции на электродах препятствует продолжению реакции, и это делается и вытирается пыль. Батарея оказывается в мусорном ведре (или, надеюсь, на переработку, но это уже другая тема Nova).

Но. Изящная вещь в этом потоке ионов и электронов, который имеет место в некоторых типах батарей с соответствующими материалами электродов, заключается в том, что он также может двигаться в обратном направлении, возвращая нашу батарею в исходную точку и давая ей совершенно новую жизнь. .Подобно тому, как батареи изменили способ использования различных электрических устройств, аккумуляторные батареи еще больше изменили полезность этих устройств и их продолжительность жизни.

Когда мы подключаем почти разряженную батарею к внешнему источнику электричества и отправляем энергию обратно в батарею, происходит обратная химическая реакция, которая произошла во время разряда. Это отправляет положительные ионы, выпущенные из анода, в электролит, обратно к аноду, а электроны, которые катод принимает, также обратно к аноду.Возврат как положительных ионов, так и электронов обратно в анод подготавливает систему, так что она снова готова к работе: ваша батарея заряжена.

Однако процесс не идеален. Замена отрицательных и положительных ионов электролита обратно на соответствующий электрод при перезарядке батареи не такая аккуратная и не такая хорошо структурированная, как электрод вначале. Каждый цикл зарядки приводит к еще большему ухудшению состояния электродов, а это означает, что аккумулятор со временем теряет производительность, поэтому даже аккумуляторные батареи не работают вечно.

В течение нескольких циклов зарядки и разрядки форма кристаллов аккумулятора становится менее упорядоченной. Это усугубляется, когда аккумулятор разряжается / заряжается с высокой скоростью — например, если вы едете на электромобиле с большой скоростью, а не с постоянной скоростью. Высокоскоростное переключение приводит к тому, что кристаллическая структура становится более неупорядоченной, что приводит к менее эффективной батарее.

Эффект памяти и саморазряд

Почти, но не полностью обратимые реакции разряда и перезарядки также способствуют так называемому «эффекту памяти».Когда вы перезаряжаете некоторые типы аккумуляторных батарей, не разрядив их сначала, они «запоминают», где находились в предыдущих циклах разрядки, и не перезаряжаются должным образом.

В некоторых элементах это вызвано тем, как металл и электролит реагируют с образованием соли (и тем, как эта соль затем снова растворяется и металл заменяется на электродах при перезарядке). Мы хотим, чтобы наши клетки имели красивые, однородные, маленькие кристаллы соли, покрывающие идеальную металлическую поверхность, но это не то, что мы получаем в реальном мире! Некоторые кристаллы образуются очень сложно, а некоторые металлы откладываются во время перезарядки, поэтому некоторые типы батарей имеют больший эффект памяти, чем другие.Дефекты в основном зависят от первоначального состояния заряда батареи, температуры, напряжения заряда и тока зарядки. Со временем недостатки в одном цикле зарядки могут вызвать то же самое в следующем цикле зарядки и так далее, и наша батарея накапливает некоторые плохие воспоминания. Эффект памяти силен для некоторых типов элементов, таких как батареи на никелевой основе. Другие типы, такие как литий-ионные, не страдают этой проблемой.

Другой аспект аккумуляторных батарей заключается в том, что химический состав, делающий их перезаряжаемыми, также означает, что они имеют более высокую тенденцию к саморазряду.Это когда внутренние реакции происходят внутри аккумуляторного элемента, даже когда электроды не подключены через внешнюю цепь. Это приводит к тому, что клетка со временем теряет часть своей химической энергии. Высокая скорость саморазряда серьезно ограничивает срок службы аккумуляторов — и приводит к их разрядке во время хранения.

Литий-ионные аккумуляторы в наших мобильных телефонах имеют довольно хорошую скорость саморазряда около 2–3 процентов в месяц, и наши свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы также довольно разумны — они, как правило, теряют 4–6 процентов. месяц.Никелевые батареи теряют около 10–15 процентов своего заряда в месяц, что не очень хорошо, если вы планируете хранить фонарик в течение всего сезона, когда он вам не нужен! Неперезаряжаемая щелочная батарея теряет около 2–3% своего заряда в год.

Напряжение, ток, мощность, емкость… в чем разница?

Все эти слова в основном описывают мощность батареи, не так ли? Ну вроде как.Но все они несколько разные.

Напряжение = сила, при которой реакция, приводящая в движение аккумулятор, проталкивает электроны через элемент. Это также известно как электрический потенциал и зависит от разницы потенциалов между реакциями, которые происходят на каждом из электродов, то есть от того, насколько сильно катод будет оттягивать электроны (через цепь) от анода. Чем выше напряжение, тем больше работы может совершить то же количество электронов.

Ток = количество электронов, которые проходят через любую точку цепи в данный момент времени.Чем выше ток, тем больше работы он может выполнять при том же напряжении. Внутри ячейки ток можно также рассматривать как количество ионов, проходящих через электролит, умноженное на заряд этих ионов.

Мощность = напряжение x ток. Чем выше мощность, тем быстрее батарея может работать — это соотношение показывает, как напряжение и ток важны для определения того, для чего подходит батарея.

Емкость = мощность батареи как функция времени, которая используется для описания продолжительности времени, в течение которого батарея может обеспечивать питание устройства.Аккумулятор большой емкости сможет проработать более длительный период, прежде чем разрядится / разрядится. У некоторых батарей есть небольшая печальная особенность: если вы слишком быстро попытаетесь извлечь из них слишком много энергии, химические реакции не успеют поспеть, и емкость станет меньше! Итак, мы всегда должны быть осторожны, когда говорим о емкости батареи, и помнить, для чего она будет использоваться.

Еще один популярный термин — «плотность энергии». Это количество энергии, которое устройство может удерживать на единицу объема, другими словами, сколько энергии вы получите за свои деньги с точки зрения мощности по сравнению сразмер. С батареей, как правило, чем выше плотность энергии, тем лучше, так как это означает, что батарея может быть меньше и компактнее, что всегда является плюсом, когда вам нужно заряжать то, что вы хотите держать в кармане. Для электромобилей это даже плюс — аккумулятор должен как-то влезать в машину!

Для некоторых приложений, таких как хранение электроэнергии на возобновляемых электростанциях, таких как ветряная или солнечная ферма, высокая плотность энергии не является большой проблемой, поскольку в них, скорее всего, будет достаточно места для хранения батарей.Основная цель такого использования — просто хранить как можно больше электроэнергии, как можно безопаснее и дешевле.

Почему так много типов?

Ряд материалов (раньше это были просто металлы) можно использовать в качестве электродов в батарее. За прошедшие годы было опробовано много-много различных комбинаций, но лишь немногие из них действительно прошли дистанцию.Но зачем вообще использовать разные комбинации металлов? Если у вас есть пара металлов, которые хорошо работают вместе в качестве электродов, зачем возиться с другими?

Различные материалы имеют разные электрохимические свойства, поэтому они дают разные результаты, когда вы соединяете их в аккумуляторном элементе. Например, некоторые комбинации будут производить высокое напряжение очень быстро, но затем быстро падают, не в состоянии поддерживать это напряжение в течение длительного времени. Это хорошо, если вам нужно произвести, скажем, внезапную вспышку света, такую ​​как вспышка фотоаппарата.

Другие комбинации будут производить только тонкую струйку тока, но они будут поддерживать эту струю на века. Например, нам не нужен большой ток для питания детектора дыма, но мы хотим, чтобы наши детекторы дыма работали долгое время.

Еще одна причина для использования различных комбинаций металлов заключается в том, что часто два или более аккумуляторных элемента необходимо уложить в стопку для получения необходимого напряжения, и оказывается, что некоторые комбинации электродов складываются вместе намного лучше, чем другие комбинации.Например, литий-железо-фосфатные батареи (тип литий-ионных аккумуляторов), используемые в электромобилях, складываются вместе для создания систем высокого напряжения (100 или даже более вольт), но вы никогда не сделаете этого с теми батареями NiCad Walkman, которые имеют горячий!

Наши различные потребности с течением времени привели к разработке огромного количества типов батарей. Чтобы узнать больше о них и о том, что ждет аккумулятор в будущем, ознакомьтесь с другими нашими темами о Nova.

Эта тема является частью нашей серии из четырех статей об аккумуляторах.Для дальнейшего чтения ознакомьтесь с типами аккумуляторов, литий-ионных аккумуляторов и аккумуляторов будущего.

Гидроэлектроэнергия: как это работает

• Школа водных наук ГЛАВНАЯ • Темы водопользования •

Падающая вода производит гидроэлектроэнергию.

Кредит: Управление долины Теннесси

Так как же нам получить электричество из воды? Фактически, гидроэлектростанции и угольные электростанции производят электроэнергию одинаковым образом.В обоих случаях источник энергии используется для вращения пропеллероподобной детали, называемой турбиной, которая затем вращает металлический вал в электрическом генераторе, который является двигателем, вырабатывающим электричество. На угольной электростанции пар вращает лопасти турбины; тогда как гидроэлектростанция использует падающую воду для вращения турбины. Результаты такие же.

Взгляните на эту схему (любезно предоставленную Управлением долины Теннесси) гидроэлектростанции, чтобы увидеть подробности:

Теория состоит в том, чтобы построить плотину на большой реке , которая имеет большой перепад высот (в Канзасе или Флориде не так много гидроэлектростанций).Плотина хранит много воды позади себя в резервуаре . У подножия стены дамбы находится водозабор. Гравитация заставляет его проваливаться через напорный водовод внутри дамбы. В конце напорного водовода находится пропеллер турбины, который вращается движущейся водой. Вал турбины идет вверх в генератор, который производит мощность. К генератору подключены линии электропередач, по которым электричество доставляется в ваш дом и в мой. Вода проходит мимо гребного винта через отводной канал в реку мимо плотины.Кстати, играть в воде прямо под плотиной, когда выходит вода, — не лучшая идея!

Турбина и генератор вырабатывают электроэнергию

Схема гидроэлектрической турбины и генератора.

Источник: Инженерный корпус армии США

Что касается того, как работает этот генератор, Инженерный корпус объясняет это следующим образом:
«Гидравлическая турбина преобразует энергию текущей воды в механическую.Гидроэлектрический генератор преобразует эту механическую энергию в электричество. Работа генератора основана на принципах, открытых Фарадеем. Он обнаружил, что когда магнит проходит мимо проводника, он заставляет течь электричество. В большом генераторе электромагниты создаются за счет циркуляции постоянного тока через петли из проволоки, намотанные на стопки пластин из магнитной стали. Они называются полевыми полюсами и устанавливаются по периметру ротора. Ротор прикреплен к валу турбины и вращается с фиксированной скоростью.Когда ротор вращается, полюса поля (электромагниты) проходят мимо проводников, установленных в статоре. Это, в свою очередь, вызывает прохождение электричества и повышение напряжения на выходных клеммах генератора ».

Накопитель: повторное использование воды для пикового спроса на электроэнергию

Спрос на электроэнергию не «плоский», а постоянный. Спрос повышается и понижается в течение дня, и в ночное время потребность в электричестве в домах, на предприятиях и других объектах снижается.Например, здесь, в Атланте, штат Джорджия, в 17:00 в жаркий августовский выходной день можно поспорить, что существует огромный спрос на электроэнергию для работы миллионов кондиционеров! Но 12 часов спустя, в 5:00 … не так уж и много. Гидроэлектростанции более эффективны в обеспечении пиковой потребности в энергии в течение коротких периодов времени, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе и атомные электростанции, и один из способов сделать это — использовать «гидроаккумулирующие станции», которые повторно используют одну и ту же воду более одного раза.

Насосный накопитель — это метод сохранения воды в резерве на период пиковой нагрузки за счет перекачки воды, которая уже прошла через турбины, в резервный бассейн над электростанцией в то время, когда потребность потребителей в энергии низка, например, во время Середина ночи.Затем воде позволяют течь обратно через турбогенераторы в периоды, когда потребность высока и на систему ложится большая нагрузка.

Насосный накопитель: повторное использование воды для пикового спроса на электроэнергию

Резервуар действует как батарея, накапливая энергию в виде воды, когда потребности в ней низкие, и вырабатывая максимальную мощность в дневные и сезонные пиковые периоды. Преимущество гидроаккумулирующего оборудования заключается в том, что гидроагрегаты могут быстро запускаться и быстро регулировать мощность.Они работают эффективно при использовании в течение одного или нескольких часов. Поскольку гидроаккумуляторы относительно малы, затраты на строительство обычно невысоки по сравнению с обычными гидроэнергетическими сооружениями.