Или электрическим током называют направленно движущийся поток заряженных частиц, например электронов. Также электричеством называется энергия, получаемая в результате такого движения заряженных частиц, и освещение, которое получают на основе этой энергии. Термин «электричество» был введён английским учёным Уильямом Гилбертом в 1600 году в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните-Земле».
Гилберт проводил опыты с янтарём, который в результате трения о сукно получил возможность притягивать другие лёгкие тела, то есть приобрёл некий заряд. А так как янтарь переводится с греческого как электрон, то наблюдаемое ученым явление получило название «электричество».
Электрический ток
Немного теории об электричестве
Электричество способно создавать вокруг проводников электрического тока или заряженных тел электрическое поле. Посредством электрического поля можно оказывать воздействие на другие тела, обладающие электрическим зарядом.fv
Электрические заряды, как всем известно, делятся на положительные и отрицательные. Этот выбор является условным, однако из-за того, что он уже давно сделан исторически, то только поэтому за каждым зарядом закреплён определённый знак.
Тела, которые заряжены одним видом знака, отталкиваются друг от друга, а которые имеют разные заряды-наоборот притягиваются.
Во время движения заряженных частиц, то есть существования электричества, также помимо электрического поля возникает и магнитное поле. Это позволяет установить родство между электричеством и магнетизмом .
Интересно, что существуют тела, которые проводят электрический ток или тела с очень большим сопротивлением.. Это было открыто английским учёным Стивеном Греем в 1729 году.
Изучением электричества, наиболее полно и фундаментально, занимается такая наука, как термодинамика. Однако квантовые свойства электромагнитных полей и заряженных частиц изучаются уже совсем другой наукойm – квантовой термодинамикой, однако некоторую часть квантовых явлений можно довольно просто объяснить обычными квантовыми теориями.
Основы электричества
История открытия электричества
Для начала необходимо сказать, что нет такого учёного, который может считаться открывателем электричества, так как с древнейших времен до наших дней многие учёные изучают его свойства и узнают что-то новое об электричестве.
- Первым, кто заинтересовался электричеством, был древнегреческий философ Фалес. Он обнаружил, что янтарь, который потереть о шерсть приобретает свойство притягивать другие лёгкие тела.
- Затем другой древнегреческий ученый Аристотель занимался изучением некоторых угрей, которые поражали врагов, как мы теперь знаем, электрическим разрядом.
- В 70 году нашей эры римский писатель Плиний изучал электрические свойства смолы.
- Однако затем долгое время об электричестве не было получено никаких знаний.
- И только в 16 веке придворный врач английской королевы Елизаветы 1 Вильям Жильбер занялся изучением электрических свойств и сделал ряд интересных открытий. После этого началось буквально «электрическое помешательство».
- Только в 1600 году появился термин «электричество», введённый английским ученым Уильямом Гилбертом.
- В 1650 году, благодаря бургомистру Магдебурга Отто фон Герике, который изобрёл электростатическую машину, появилась возможность наблюдать эффект отталкивания тел под действием электричества.
- В 1729 году английский учёный Стивен Грей, проводя опыты по передачи электрического тока на расстояние, случайно обнаружил, что не все материалы обладают свойством одинаково передавать электричество.
- В 1733 году французский ученый Шарль Дюфе открыл существование двух типов электричества, которые он назвал стеклянным и смоляным. Эти названия они получили из-за того, что выявлялись при трении стекла о шёлк и смолы о шерсть.
- Первый конденсатор, то есть накопитель электричества, изобрёл голландец Питер ванн Мушенбрук в 1745 году. Этот конденсатор получил название Лейденская банка.
- В 1747 году американец Б.Франклин создал первую в мире теорию электричества. По франклину электричество – это нематериальная жидкость или флюид. Другая заслуга Франклина перед наукой заключается в том, что он изобрёл громоотвод и с помощью него доказал, что молния имеет электрическую природу возникновения. Также он ввёл такие понятия как положительный и отрицательный заряды, но не открывал заряды. Это открытие сделал учёный Симмер, который доказал существование полюсов зарядов: положительного и отрицательного.
- Изучение свойств электричества перешло к точным наукам после того как в 1785 году Кулон открыл закон о силе взаимодействия, происходящей между точечными электрическими зарядами, который получил название Закон Кулона.
- Затем, в 1791 году итальянский учёный Гальвани публикует трактат о том, что в мышцах животных, при их движении возникает электрический ток.
- Изобретение батареи другим итальянским учёным – Вольтом в 1800, привело к бурному развитию науки об электричестве и к последовавшему ряду важных открытий в этой области.
- Затем последовали открытия Фарадея, Максвелла и Ампера, которые произошли всего за 20 лет.
- В 1874 году российский инженер А.Н.Лодыгин получил патент, на изобретённую в 1872 году лампу накаливания с угольным стержнем. Затем в лампе стал использоваться стержень из вольфрама. А в 1906 году он продал свой патент компании Томаса Эдисона.
- В 1888 году Герц регистрирует электромагнитные волны.
- В 1879 году Джозеф Томсон открывает электрон, который является материальным носителем электричества.
- В 1911 году француз Жорж Клод изобрёл первую в мире неоновую лампу.
- Двадцатый век дал миру теорию Квантовой электродинамики.
- В 1967 году был сделан еще один шаг на пути изучения свойств электричества. В этом году была создана теория электрослабых взаимодействий.
Однако это только основные открытия, сделанные учёными, и способствовавшие применению электричества. Но исследования продолжаются и сейчас, и каждый год происходят открытия в области электричества.
Все уверенны что самым великим и могущественным в плане открытий связанных с электричеством, был Никола Тесла. Сам он родился в Австрийской империи, теперь это территория Хорватии. В его багаже изобретений и научных работ: переменный ток, теория полей, эфир, радио, резонанс и многое другое. Некоторые допускают возможность что явление “Тунгусского метеорита”, это ни что иное как работа рук самого Николы Теслы, а именно взрыв огромной мощности на территории Сибири.
Властелин мира - Никола Тесла
Какое-то время считалось, что электричество в природе не существует. Однако после того как Б.Франклин установил, что молнии имеют электрическую природу возникновения, это мнение перестало существовать.
Значение электричества в природе, как и в жизни человека достаточно огромно. Ведь именно молнии привели к синтезу аминокислот и, следовательно, к появлению жизни на земле .
Процессы в нервной системе человека и животных, например, движение и дыхание, происходят благодаря нервному импульсу, который возникает из-за электричества, существующего в тканях живых существ.
Некоторые виды рыб использую электричество, а точнее электрические разряды для защиты от врагов, поиска пищи под водой и её добывания. Такими рыбами являются: угри, миноги, электрические скаты и даже некоторые акулы. Все эти рыбы имеют специальный электрический орган, который работает по принципу конденсатора, то есть накапливает достаточно большой электрический заряд, а затем разряжает его на жертву, прикоснувшуюся к такой рыбе. Также такой орган работает с частотой в несколько сотен герц и имеет напряжение несколько вольт. Сила тока электрического органа рыб меняется с возрастом: чем старше становится рыба, тем сила тока больше. Также благодаря электрическому току рыбы, обитающие на большой глубине, ориентируются в воде. Электрическое поле искажается под действие предметов, находящихся в воде. А эти искажения и помогают рыбам ориентироваться.
Смертельные опыты. Электричество
Получение электричества
Для получения электричества были специально созданы электростанции. На электростанциях при помощи генераторов, создается электроэнергия, которая после передается в места потребления по линиям электропередач. Электрический ток создается благодаря переходу механической или внутренней энергии в электрическую энергию. Электростанции делятся на: гидроэлектростанции или ГЭС, тепловые атомные, ветровые, приливные, солнечные и другие электростанции.
В гидроэлектростанциях турбины генератора, движущиеся под действием потока воды, вырабатывают электрический ток. В тепловых электростанциях или по-другому ТЭЦ электрический ток образуется также, но только вместо воды используется водяной пар, возникающий в процессе нагрева воды при сгорании топлива, например, угля.
Очень похожий принцип работы используется в атомной станции или АЭС. Только в АЭС используется другой вид топлива – радиоактивные материалы, например, уран или плутоний. Происходит деление их ядер, благодаря чему выделяется очень большое количество теплоты, используемое для нагревания воды и превращения её в водяной пар, который затем поступает в турбину, вырабатывающую электрический ток. Для работы таких станций требуется очень мало топлива. Так десять граммов урана вырабатывает такое же количество электричества, как и вагон угля.
Использование электричества
В наше время жизнь без электричества становится невозможной. Оно достаточно плотно вошло в жизнь людей двадцать первого века. Часто электричество используют для освещения, например, используя электрическую или неоновую лампу, и для передачи всевозможной информации с помощью телефона, телевидения и радио, а в прошлом и телеграфа. Также еще в двадцатом веке появилась новая область применения электричества: источник питания электрических двигателей трамваев, поездов в метро, троллейбусов и электричек. Электричество необходимо для работы различных бытовых приборов, которые значительно улучшают жизнь современного человека.
Сегодня электричество также применяется для получения качественных материалов и их обработки. С помощью электрогитар, работающих благодаря электричеству, можно создавать музыку. Также электричество продолжает использоваться, как гуманный способ умерщвления преступников (электрический стул), в странах, в которых разрешена смертная казнь.
Также учитывая то, что жизнь современного человека становится практически невозможной без компьютеров и сотовых телефонов, для работы которых необходимо электричество, то важность электричества будет достаточно сложно переоценить.
Электричество в мифологии и искусстве
В мифологии почти всех народов есть боги, которые способны метать молнии, то есть умеющие использовать электричество. Например, у греков таким богом был Зевс, у индусов-Агни, который умел превращаться в молнию, у славян – это Перун, а у скандинавских народов-Тор.
В мультфильмах также есть электричество. Так в диснеевском мультфильме Черный плащ есть антигерой Мегавольт, который способен повелевать электричеством. В японской анимации электричеством владеет покемон Пикачу.
Заключение
Изучение свойств электричества началось ещё в глубокой древности и продолжается до сих пор. Узнав, основные свойства электричества и, научившись их правильно использовать, люди значительно облегчили свою жизнь. Электричество также используется на заводах, фабриках и тд., то есть с помощью него можно получать другие блага. Значение электричества, как в природе, так и в жизни современного человека огромно. Без такого электрического явления как молния на земле не зародилась бы жизнь, а без нервных импульсов, возникающих также благодаря электричеству, не возможно было бы обеспечить согласованную работу между всеми частями организмов.
Люди всегда были благодарны электричеству, даже когда не знали об его существовании. Они наделяли своих главных богов возможностью метать молнии.
Современный человек также не забывает об электричестве, но возможно ли о нем забыть? Он наделяет электрическими способностями героев мультфильмов и фильмов, строит электростанции, чтобы получать электричество и делает многое другое.
Таким образом, электричество величайший дар, данный нам самой природой и которым мы, к счастью, научились пользоваться.
Для стабильной жизни нашего мегаполиса необходима энергия, равная 100 млн. кВт\час в сутки, а в год это составляет около 38 млрд. кВт\часов. Кто и что обеспечивает Москву электроэнергией? На Раушской набережной находится ГЭС №1 (самая старая электростанция столицы), которая не только является памятником по охраной Юнеско, но и вырабатывает электроэнергию для снабжения Государственной Думы, Кремля, Лубянской площади и метрополитена. Номинальная мощность станции - 86 МВт. Станция была построена по указу императора Александра III для подключения электричества к первым трамваям. За 114 лет существования ГЭС-1 её мощность возросла в 10 раз.
Основным источником электроснабжения Москвы являются ТЭЦ, в количестве 15 единиц.
Ещё одной особенностью электроснабжения Москвы - является Московское энергетическое кольцо образовано высоковольтными линиями электропередачи (напряжение 500 кВ) и группой мощнейших подстанций (ПС) , расположенных как в черте города, так и в Московской области. Основная задача этих узловых подстанций — понижение напряжения с 500 до 220 и 110 кВ и передача его на узловые распределительные подстанции.
Уважаемые читатели и просто посетители нашего журнала! Мы достаточно много и довольно подробно пишем о том, какими способами, при помощи каких именно энергетических ресурсов, производится электроэнергия на электростанциях. Атом, газ, вода – были нашими с вами «героями», разве что до альтернативных, «зеленых» вариантов еще не успели добраться. Но, если присмотреться внимательно, рассказы были далеко не полными. Еще ни разу мы не пробовали отследить детально путь электроэнергии от турбины до наших с вами розеток, с тропинками на освещение наших населенных пунктов и дорог, на обеспечение работы многочисленных насосов, обеспечивающих комфорт наших с вами жилищ.
Дороги и тропинки эти отнюдь не просты, порой извилисты и многократно меняют направление, но знать, как они выглядят – обязанность каждого культурного человека XXI века. Века, облик которого во многом определяет покорившаяся нам электроэнергия, которую мы научились преобразовывать так, чтобы были удовлетворены все наши потребности – как в промышленности, так и в частном пользовании. Ток в проводах линий электропередач и ток в батарейках наших гаджетов – очень разные токи, но они остаются все тем же электричеством. Какие усилия приходится прилагать электроэнергетикам, инженерам, чтобы обеспечить мощнейшие токи сталеплавильных заводов и маленькие, крошечные токи, допустим, наручных часов? Сколько работы приходится проделывать всем тем, кто поддерживает систему преобразований, передачи и распределения электроэнергии, какими такими методами обеспечена стабильность этой системы? Чем «Системный Оператор» отличается от «Федеральной Сетевой Компании», почему обе этих компании были, есть и будут в России не частными а государственными?
Вопросов очень много, ответы на них надо знать, чтобы более менее представлять, зачем нам так много энергетиков и чем же они, грубо говоря, занимаются? Мы ведь настолько привыкли, что с электричеством в домах и в городах все в полном порядке, что про электроинженеров вспоминаем только тогда, когда что-то вдруг перестает работать, когда мы выпадаем из зоны привычного уровня комфорта. Темно и холодно – вот только тогда мы с вами и говорим об энергетиках, причем говорим такие слова, которые мы печатать точно не будем.
Мы уверены, что нам откровенно повезло – взяться за эту не простую, нужную, да еще и огромную тему согласился настоящий профессионал. Просим любить и жаловать – Дмитрий Таланов, Инженер с большой буквы. Знаете, есть такая страна – Финляндия, в которой звание инженера настолько значимо, что в свое время ежегодно издавался каталог с перечнем специалистов, его имеющих. Хотелось бы, чтобы и в России когда-нибудь появилась такая славная традиция, благо в наш электронно-интернетный век завести такой ежегодно обновляемый каталог намного проще.
Статья, которую мы предлагаем вашему вниманию по инженерному коротка, точна и емка. Конечно, обо всем, что написал Дмитрий, можно рассказать намного подробнее, и в свое время наш журнал начал цикл статей о том, как в XIX веке происходило покорение электричества.
Георг Ом, Генрих Герц, Андре-Мари Ампер, Алессандро Вольт, Джеймс Ватт, Фарадей, Якоби, Ленц, Грамм, Фонтен, Лодыгин, Доливо-Добровольский, Тесла, Яблочков, Депрё, Эдисон, Максвелл, Кирхгоф, братья Сименсы и братья Вестингаузы – в истории электричества много славных имен, достойных того, чтобы мы о них помнили. В общем, если кому-то хочется припомнить подробности того, как все начиналось, милости просим, а статья Дмитрия – начало совсем другой истории. Очень надеемся, что она вам понравится, а продолжение статей Дмитрия Таланова мы увидим в самое ближайшее время.
Уважаемого Дмитрия от себя лично – с дебютом, ко всем читателям просьба – не скупитесь на комментарии!
Что такое электрический ток, откуда он берется и как добирается до наших домов?
Для чего нам электроэнергия и насколько она помогает нам жить, может узнать каждый, обведя критическим взглядом свое жилище и место работы.
Первое, что бросается в глаза, это освещение. И верно, без него даже 8-часовой рабочий день превратился бы в муку. Добираться до работы во многих мегаполисах и так небольшое счастье, а если придется это делать в темноте? А зимой так и в оба конца! Газовые фонари помогут на главных магистралях, но чуть свернул в сторону, и не видно ни зги. Можно легко провалиться в подвал или яму. А за городом на природе, освещаемой только светом звезд?
Ночное освещение улицы, Фото: pixabay.com
Удалять жару из офисов, куда с трудом добрался, без электричества тоже нечем. Можно, конечно, открыть окна и обвязать голову мокрым полотенцем, но надолго ли это поможет. Качающим воду насосам тоже нужно электричество, или придется регулярно ходить с ведром на ручную колонку.
Кофе в офисе? Забудьте! Только если всем сразу и не часто, чтобы дым от сгорающего угля не отравил рабочую атмосферу. Или за дополнительную денежку получать из соседнего трактира.
Отправить письмо в соседний офис? Надо взять бумагу, написать письмо от руки, затем ножками отнести его. На другой конец города? Вызываем курьера. В другую страну? А вы знаете, сколько это будет стоить? К тому же ответа не ждите ранее полугода из соседних стран и от года до пяти из-за океана.
Вернулись домой, надо зажечь свечи. Читать при них – мучение для глаз, поэтому придется заняться чем-то другим. А чем? ТВ нет, компьютеров нет, смартфонов – и тех нет, ибо нечем их запитать. Лежи на лавке и гляди в потолок! Хотя рождаемость точно повысится.
К этому следует добавить, что все пластмассы и удобрения сейчас получают из природного газа на заводах, где крутятся тысячи моторов, приводимых в движение всё тем же электричеством. Отсюда список доступных удобрений сильно укорачивается до тех, которые можно приготовить из природного сырья в чанах, размешивая в них ядовитую жижу лопатками с ручным, водяным или паровым приводом. Как результат, сильно сжимается объем производимых продуктов.
О пластмассах – забудьте! Эбонит – наше высшее счастье из длинного списка. А из металлов самым доступным становится чугун. Из медицины на сцену в качестве главного орудия снова выступают стетоскоп и быстро ржавеющий скальпель. Остальное канет в Лету.
Продолжать можно долго, но идея должна быть уже понятна. Нам нужно электричество. Мы можем выжить без него, но что это будет за жизнь! Так откуда же появилось это волшебное электричество?
Открытие электричества
Все мы знаем физическую истину, что ничто никуда бесследно не исчезает, а только переходит из одного состояния в другое. С этой истиной столкнулся греческий философ Фалес Милетский в VII веке до н. э. обнаружив электричество как вид энергии, натирая кусок янтаря шерстью. Часть механической энергии при этом перешла в электрическую и янтарь (на древнегреческом «электрон») электризовался, то есть приобрел свойства притягивать легкие предметы.
Этот вид электричества сейчас называют статическим, и он нашел себе широкое применение, в том числе в системах очистки газов на электростанциях. Но в Древней Греции ему не нашлось применения и, если бы Фалес Милетский не оставил после себя записей о своих экспериментах, мы бы никогда не узнали, кто был тот первый мыслитель, заостривший свое внимание на виде энергии, являющейся едва ли не самой чистой среди всех, с которыми мы знакомы по настоящий день. Ею также наиболее удобно управлять.
Сам термин «электричество» – то есть «янтарность» – ввел в употребление Уильям Гилберт в 1600 году. С этого времени с электричеством начинают широко экспериментировать, пытаясь разгадать его природу.
Как результат, с 1600 по 1747 годы последовала череда увлекательных открытий и появилась первая теория электричества, созданная американцем Бенджамином Франклином. Он ввел понятие положительного и отрицательного заряда, изобрел молниеотвод и с его помощью доказал электрическую природу молний.
Далее в 1785 происходит открытие закона Кулона, а в 1800 году итальянец Вольта изобретает гальванический элемент (первый источник постоянного тока, предшественник нынешних батарей и аккумуляторов), представлявший собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделённых смоченной в подсоленной воде бумагой. С появлением этого, стабильного по тем временам, источника электричества новые и важнейшие открытия быстро следуют одно за другим.
Майкл Фарадей, читающий рождественскую лекцию в Королевском институте. Фрагмент литографии, Фото: republic.ru
В 1820 году датский физик Эрстед обнаружил электромагнитное взаимодействие: замыкая и размыкая цепь с постоянным током, он заметил цикличные колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. А в 1821 году французский физик Ампер открыл, что вокруг проводника с переменным электрическим током образуется переменное электромагнитное поле. Это позволило уже Майклу Фарадею в 1831 году открыть электромагнитную индукцию, описать уравнениями электрическое и магнитное поле и создать первый электрогенератор переменного тока. Фарадей вдвигал катушку с проводом в намагниченный сердечник и в результате в обмотке катушки появлялся электрический ток. Фарадей также придумал первый электродвигатель – проводник с электрическим током, вращающийся вокруг постоянного магнита.
Всех участников «гонки за электричеством» невозможно упомянуть в этой статье, но результатом их усилий явилась доказуемая экспериментом теория, детально описывающая электричество и магнетизм, в соответствии с которой мы производим сейчас всё, что требует электричества для своего функционирования.
Постоянный или переменный ток?
В конце 1880-х годов, еще до появления мировых стандартов на производство, распределение и потребление промышленной электроэнергии, разразилась битва между сторонниками использования постоянного и переменного тока. Во главе противостоящих друг другу армий встали Тесла и Эдисон.
Оба были талантливыми изобретателями. Разве что Эдисон обладал куда более развитыми способностями к бизнесу и к моменту начала «войны» успел запатентовать множество технических решений, в которых использовался постоянный ток (в то время в США постоянный ток являлся стандартом по умолчанию; постоянным называется ток, направление которого не меняется по времени).
Но была одна проблема: в те времена постоянный ток было очень трудно трансформировать в более высокое или низкое напряжение. Ведь если сегодня мы получаем электроэнергию напряжением 240 вольт, а наш телефон требует 5 вольт, мы втыкаем в розетку универсальную коробочку, которая преобразует что угодно во что угодно в нужном нам диапазоне, используя современные транзисторы, управляемые крошечными логическими схемами с изощренным программным обеспечением. А что можно было сделать тогда, когда до изобретения самых примитивных транзисторов оставалось еще 70 лет? И если по условиям электрических потерь требовалось повысить напряжение до 100’000 вольт, чтобы доставить электроэнергию на расстояние 100 или 200 километров, любые столбы Вольта и примитивные генераторы постоянного тока оказывались бессильны.
Понимая это, Тесла выступал за переменный ток, трансформация которого в любые уровни напряжения не представляла труда и в те времена (переменным считается ток, величина и направление которого периодически меняются со временем даже при неизменном сопротивлении этому току; при частоте сети 50Гц это происходит 50 раз в секунду). Эдисон же, не желая терять патентные отчисления себе, развернул кампанию по дискредитации переменного тока. Он уверял, что этот вид тока особо опасен для всего живого, и в доказательство публично убивал бродячих кошек и собак, прикладывая к ним электроды, соединенные с источником переменного тока.
Эдисон проиграл битву, когда Тесла предложил за 399’000 долларов осветить весь город Буффало против предложения Эдисона сделать то же за 554’000 долларов. В день, когда город осветился электричеством, полученным от станции, расположенной у Ниагарского водопада и вырабатывающей именно переменный ток, компания General Electric выкинула постоянный ток из рассмотрения в своих будущих бизнес-проектах, полностью поддержав своим влиянием и деньгами переменный ток.
Томас Эдисон (США), Рис.: cdn.redshift.autodesk.com
Может показаться, что переменный ток навсегда завоевал мир. Однако у него имеются наследственные болячки, растущие из самого факта переменности. Прежде всего это электрические потери, связанные с потерями в индуктивной составляющей проводов ЛЭП, которые используются для передачи электроэнергии на большие расстояния. Эти потери в 10-20 раз превышают возможные потери в тех же самых ЛЭП в случае протекания по ним постоянного тока. Плюс сказывается повышенная сложность синхронизации узлов энергосистемы (для пущего понимания, скажем, отдельных городов), ведь для этого требуется не только выровнять напряжения узлов, но и их фазу, ибо переменный ток представляет собой волну синусоиды.
Отсюда видна и значительно большая приверженность к «качаниям» узлов по отношению к друг другу, когда напряжение-частота начинают меняться вверх-вниз, на что обычный потребитель обращает внимание, когда у него в квартире мигает свет. Обычно это предвестник конца совместной работы узлов: связи между ними рвутся и какие-то узлы оказываются с дефицитом энергии, что ведет к снижению в них частоты (т.е. к снижению скорости вращения тех же электродвигателей и вентиляторов), а какие-то с избытком энергии, приводящем к опасному повышению напряжения по всему узлу, включая наши розетки с подключенными к ним устройствам. А при достаточно большой длине ЛЭП, что, к примеру, критично для РФ, начинают проявляться и другие портящие настроение электрикам эффекты. Не вдаваясь в детали, можно указать, что передавать электроэнергию переменного тока по проводам на сверхдальние расстояния становится трудно, а иногда и невозможно. Для сведения, длина волны частотой 50 Гц составляет 6000 км, и при приближении к половине этой длины – 3000 км – начинают сказываться эффекты бегущих и стоячих волн плюс эффекты, связанные с резонансом.
Эти эффекты отсутствуют при использовании постоянного тока. А значит, повышается стабильность работы энергосистемы в целом. Принимая это во внимание, а также то, что компьютеры, светодиоды, солнечные панели, аккумуляторы и многое другое используют для своей работы именно постоянный ток, можно заключить: война с постоянным током еще не проиграна. Современным преобразователям постоянного тока на любые используемые сегодня мощности и напряжения осталось совсем немного, чтобы сравняться в цене с привычными человечеству трансформаторами переменного тока. После чего, видимо, начнется триумфальное шествие по планете уже постоянного тока.
Электроэнергия является неотъемлемой частью нашей жизни. Каждый день мы, не задумываясь, используем множество бытовых электроприборов, не говоря уже о производстве. А откуда берется так необходимая нам электроэнергия? Ответ на этот вопрос знают даже дети: ее производят электростанции. А вот как она поступает от электростанции к нам, потребителям, знают не все. На этот вопрос мы постараемся ответить в нашей статье.
Итак, начнем с электростанций. Все знают основные виды электростанций: АЭС, ГЭС, ТЭС. Многие наверняка слышали о существовании дизельных генераторных установок и миниэлектростанций, которые все чаще используются на строительных площадках, в качестве защиты от обесточивания в больницах, а также могут обеспечить электроэнергией частный дом и т.д. В Европе для получения электроэнергии используют также энергию ветра и солнечную энергию. Ученые всего мира также работают над альтернативными видами электроэнергии, такими как реакция синтеза, электростанции на биомассе.
В нашей стране на сегодняшний день основными источниками электроэнергии являются АЭС, ГЭС и ТЭС. Более половины электроэнергии производят тепловые электростанции. Чаще всего такие электростанции располагаются в местах добычи топлива. В городах могут также использоваться теплоэлектроцентрали, которые обеспечивают город не только электроэнергией, но и горячей водой и теплом. Наиболее дешевую электроэнергию производят гидроэлектростанции.
Атомные электростанции - наиболее современные. Одним из важнейших преимуществ является тот факт, что они не привязаны к источнику сырья, а, следовательно, могут быть размещены практически в любом месте. АЭС также не загрязняют окружающую среду, при условии учета всех природных факторов и выполнения требований к их постройке.
Но вот у нас есть электростанция, которая производит электроэнергию. Что же происходит дальше? А дальше электроэнергия с электросъёмных шин и подаётся в электрическую часть электростанции, которая бывает открытого, закрытого и комбинированного типа. В электрочасти находится диспетчерский пункт управления электростанцией, автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП), коммутационные аппараты, релейная защита, контрольно - измерительные приборы и сигнализации, высоковольтные повышающие и понижающие трансформаторы, высоковольтные выключатели, сборные шины и автотрансформаторы. После преобразования энергии электричество подаётся на высоковольтную линию электропередач (ВЛЭП). Линии электропередач, предназначенные для транспортировки электроэнергии на большие расстояния, должны иметь большую пропускную способность и малые потери, и состоят из проводов, опор, крепёжной арматуры, грозозащитных тросов, а также вспомогательных устройств. По своему назначению ЛЭП подразделяются на сверхдальние, магистральные и распределительные. Основными элементами воздушных линий электропередач являются металлические опоры, которые устанавливаются на определенном расстоянии друг от друга. Они бывают анкерными, промежуточными и угловыми. Анкерные опоры устанавливают в начале и конце линии электропередач, а также в местах перехода инженерных сооружений или естественных преград. Промежуточные опоры устанавливаются на прямых участках и предназначены для поддержки проводов с допустимым провисанием 6-8 метров в населённой местности, и 5-7 метров - в не населённой. Угловые опоры устанавливаются на углах поворота линии электропередач. Специальные транспозиционные опоры устанавливаются для изменения порядка расположения на опорах, а так же для ответвления проводов от магистральной линии ВЛЭП. Для передачи электроэнергии в высоковольтных линиях электропередач применяются неизолированные провода, изготовленные из алюминия и сталеалюминия следующих марок: АН, АЖ, АКП (алюминиевые) и ВЛ, АС, АСКС, АСКП, АСК (сталеалюминевые). Провода к опорам крепятся при помощи поддерживающих или натяжных изоляторов, которые монтируются на опору подвесным способом, и крепёжной арматуры. В свою очередь изоляторы бывают фарфоровые, с покрытием из глазури, стеклянные, из закалённого стекла, и полимерные, из специальных пластических масс. Для защиты линии электропередач от молнии на опорах натягиваются грозозащитные тросы, устанавливаются разрядники, а опоры заземляются. Так как линия обычно тянется на большое расстояние, то во избежание потерь напряжения используются промежуточные подстанции с повышающими трансформаторами.
Для дальнейшего распределения электроэнергии к магистральным ВЛЭП подключаются распределительные подстанции, которые в свою очередь раздают электроэнергию на понижающие подстанции. При распределении электроэнергии от подстанции к КТП может использоваться 2 типа прокладки кабелей: воздушный и под землей. При воздушной прокладке обычно используют алюминиевые или сталемедные неизолированные провода, которые подвешиваются на опорах. При подземной прокладке используется силовой кабель с медными или алюминиевыми токопроводящими жилами и броней, которая обеспечивает надежную защиту от механических воздействий. К кабелям такого типа относятся марки, предназначенные для эксплуатации на напряжение до 35 кВ, например или (6-10 кВ), или (10-35 кВ). Если трансформаторная подстанция находится на большом расстоянии, то использование силового кабеля будет экономически не выгодным, в таком случае используется воздушная прокладка.
От понижающей подстанции по линиям электропередач энергия распределяется между КТП, которые разделяются на мачтовые и киосковые (проходные и тупиковые). Комплектные трансформаторные подстанции осуществляют понижение напряжения с 10(6) до 0,4 кВ переменного тока частотой 50 Гц и предназначены для подачи электроэнергии в частные дома, отдельные населенные пункты или небольшие промышленные объекты. В мачтовых трансформаторных подстанциях ввод и вывод кабеля осуществляется при помощи воздушных линий. КТП киоскового типа служат для тех же целей, но устанавливаются в простейшую бетонную площадку и имеют серьезное преимущество - они позволяют осуществлять ввод и отвод, как воздушным путем, так и под землей.
Для отвода воздушных линий используется самонесущие алюминиевые изолированные провода СИП, которые подвешиваются на деревянных или бетонных опорах при помощи монтажной арматуры. Такой способ прокладки распределительной линии используется в частных секторах, гаражных кооперативах или там где необходимо запитать большое количество потребителей находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Для прокладки подземных линий используется силовой кабель с алюминиевыми или медными жилами, с изоляцией из различных материалов, экранированный, бронированный, с защитным покровом или без него. В зависимости от способа прокладки могут использоваться различные марки кабеля. Для прокладки в специальных двустенных гофрированных трубах могут использоваться силовые кабели без защитного покрова и брони, такие, как АВВГ или . Для прокладки в траншеях используются кабели с броней и защитными покровами, которые имеют хорошую защиту от физического и механического воздействия. Это такие кабели как и (с броней и защитным покровом) или и (с броней без защитного покрова). Кроме того, в зависимости от характера блуждающих токов, могут использоваться силовые кабели с различными видами экранов, которые предназначены для прокладки, как в траншеях, так и в защищенных трубах. К таким кабелям относятся марки или .
От трансформаторной подстанции электроэнергия по выбранным проводам передается на распределительные пункты, которые находятся в специально отведенных для этого комнатах (щитовых). В щитовых устанавливаются распределительные устройства, которые не только обеспечивают передачу электроэнергии в квартиры, но также осуществляют запитку этажного и аварийного освещения, лифтов, систем вентиляции, кондиционирования и систем безопасности. Распределение от электрощитовой до этажных щитов, осуществляется при помощи кабелей, которые согласно условиям пожарной безопасности должны не распространять горение и иметь низкие показатели дымо и газовыделения. К таким маркам кабелей можно отнести (алюминиевые токопроводящие жилы), (медные жилы). Для прокладки магистральной линии используется и специальные крепежные скобы, которые обеспечивают сохранность кабеля на весь срок службы. Кроме того, для подвода питания от щитовой на этажные щиты может применяться шинопровод, который имеет ряд плюсов по сравнению с кабельной магистральной линией. К ним можно отнести удобство монтажа (секции без особых проблем собираются и монтируются в нишу), меньшие габариты по сравнению с кабельной линией (секции состоят из медных или алюминиевых шин, которые зачищены металлическим корпусом), удобство дальнейшей эксплуатации. И, наконец, от этажных щитов электроэнергия поступает на счетчик либо щит учетно-распределительный щит квартиры.
Этот вопрос, как капуста, его раскрываешь-раскрываешь, а до "фундаментальной" кочерыжки всё ещё далеко. Хоть вопрос, видимо, касается этой самой кочерыжки, придётся всё же попробовать одолеть всю капусту.
На самый поверхностный взгляд природа тока кажется простой: ток - это когда заряженные частицы движутся. (Если частица не движется, то тока нет, есть только электрическое поле.) Пытаясь постичь природу тока, и не зная из чего состоит ток, выбрали для тока направление, соответствующее направлению движения положительных частиц. Позже оказалось, что неотличимый, точно такой же по действию ток получается при движении отрицательных частиц в противоположном направлении. Эта симметрия является примечательной деталью природы тока.
В зависимости от того, где движутся частицы природа тока тоже различна. Отличается сам текущий материал:
- В металлах есть свободные электроны;
- В металлических и керамических сверхпроводниках - тоже электроны;
- В жидкостях - ионы, которые образуются при протекании химических реакций или при воздействии приложенного электрического поля;
- В газах - снова ионы, а также электроны;
- А вот в полупроводниках электроны несвободны и могут двигаться "эстафетно". Т.е. двигаться может не электрон, а как бы место, где его нет - "дырка". Такая проводимость называется дырочной. На спайках разных полупроводников природа такого тока рождает эффекты, делающие возможной всю нашу радиоэлектронику.
У тока две меры: сила тока и плотность тока. Между током зарядов и током, например, воды в шланге больше различий, чем сходства. Но такой взгляд на ток вполне продуктивен, для понимания природы последнего. Ток в проводнике это векторное поле скоростей частиц (если это частицы с одинаковым зарядом). Но мы обычно для описания тока не учитываем эти детали. Мы усредняем этот ток.
Если мы возьмём одну только частицу (естественно заряженную и движущуюся), то ток равный произведению заряда и мгновенной скорости в конкретный момент времени существует ровно там, где находится эта частица. Помните, как было в песне дуэта Иваси "Пора по пиву": "...если климат тяжёл и враждебен астрал, если поезд ушёл и все рельсы ЗА-БРАЛ..." :)
И вот мы пришли к той кочерыжке, которую упоминали вначале. Почему частица имеет заряд (с движением вроде всё ясно, а что же такое заряд)? Наиболее фундаментальные частицы (вот теперь уж точно:) вроде бы неделимые) несущие заряд - это электроны, позитроны (антиэлектроны) и кварки. Отдельно взятый кварк вытащить и исследовать невозможно из-за конфайнмента, с электроном вроде проще, но тоже пока не очень-то ясно. На данный момент видно, что ток квантуется: не наблюдается зарядов меньше заряда электрона (кварки наблюдаются только в виде адронов с совокупным зарядом таким же или нулевым). Электрическое поле отдельно от заряженной частицы может существовать только в связке с магнитным полем, как электромагнитная волна, квантом которой является фотон. Возможно, какие-то интерпретации природы электрического заряда лежат в сфере квантовой физики. Например, предсказанное ею и обнаруженное сравнительно недавно поле Хиггса (есть бозон - есть и поле) объясняет массу ряда частиц, а масса - это мера того, как частица откликается на гравитационное поле. Может быть и с зарядом, как с мерой отклика на электрическое поле, обнаружится какая-то похожая история. Почему есть масса и почему есть заряд - это в чём-то родственные вопросы.
Многое известно о природе электрического тока, но самое главное пока нет.
