Kopš fizikas kursa visi zina, ka elektriskā strāva nozīmē mērķtiecīgu kustētu daļiņu, kas nes lādiņu, kustību. Lai to iegūtu, vadītājā tiek izveidots elektriskais lauks. Tas pats ir nepieciešams, lai elektriskā strāva ilgstoši pastāvētu.
Elektriskās strāvas avoti var būt:
- statisks
- ķīmiska;
- mehāniskā;
- pusvadītājs.
Katrā no tām tiek veikts darbs, kur tiek atdalītas atšķirīgi uzlādētas daļiņas, tas ir, tiek izveidots strāvas avota elektriskais lauks. Atsevišķi tie uzkrājas pie stabiem, vietās, kur ir savienoti vadītāji. Kad stabi ir savienoti ar vadītāju, daļiņas ar lādiņu sāk kustēties un veidojas elektriskā strāva.
Elektriskās strāvas avoti: elektriskās mašīnas izgudrojums
Līdz septiņpadsmitā gadsimta vidum vajadzēja daudz pūļu, lai iegūtu elektrisko strāvu. Tajā pašā laikā zinātnieku skaits, kas nodarbojas ar šo jautājumu, auga. Un šeit Otto von Guericke izgudroja pasaulē pirmo elektrisko automašīnu. Vienā no eksperimentiem ar sēru tas izkusa dobās stikla bumbiņas iekšpusē, sacietēja un salauza stiklu. Guericke nostiprināja bumbu, lai to varētu savīt. Pagriežot to un nospiežot ādas gabalu, viņš saņēma dzirksteli. Šī berze ievērojami atviegloja īstermiņa elektroenerģijas ražošanu. Bet grūtākas problēmas tika atrisinātas tikai ar zinātnes tālāku attīstību.
Problēma bija tā, ka Guericke maksas ātri pazuda. Lai palielinātu lādēšanas ilgumu, ķermeņi tika ievietoti slēgtos traukos (stikla pudelēs), un ūdens ar naglu darbojās kā elektrificēts materiāls. Eksperiments tika optimizēts, kad pudeli no abām pusēm pārklāja ar vadošu materiālu (piemēram, folijas loksnēm). Rezultātā viņi saprata, ka ir iespējams iztikt bez ūdens.
Varžu kājas kā strāvas avots
Citu veidu elektroenerģijas ražošanai pirmo reizi atklāja Luigi Galvani. Kā biologs viņš strādāja laboratorijā, kur eksperimentēja ar elektrību. Viņš redzēja, kā mirušās vardes pēda saraujas, kad to uzbudināja dzirkstele no automašīnas. Bet reiz tas pats efekts tika panākts nejauši, kad zinātnieks to pieskārās ar tērauda skalpeli.
Viņš sāka meklēt iemeslus, no kurienes nāk elektriskā strāva. Saskaņā ar tā galīgo secinājumu elektriskās strāvas avoti atradās vardes audos.
Cits itālis, Alessandro Volto, pierādīja strāvas "vardes" rakstura neveiksmi. Tika atzīmēts, ka vislielākā strāva notika, kad sērskābes šķīdumam tika pievienots varš un cinks. Šo kombināciju sauc par galvanisko vai ķīmisko elementu.
Bet šāda rīka izmantošana EML iegūšanai būtu pārāk dārga. Tāpēc zinātnieki strādāja pie citas, mehāniskas, elektroenerģijas ražošanas metodes.
Kā tiek sakārtots parastais ģenerators?
Deviņpadsmitā gadsimta sākumā G.Kh. Oersteds atklāja, ka strāvai izlaižot caur vadītāju, rodas magnētiskas izcelsmes lauks. Nedaudz vēlāk Faraday atklāja, ka, šķērsojot šī lauka spēka līnijas, vadītājā tiek ierosināts EML, kas izraisa strāvu. EML mainās atkarībā no kustības ātruma un pašiem vadītājiem, kā arī no lauka stipruma. Šķērsojot simts miljonus elektrolīniju sekundē, ierosinātais EML kļuva vienāds ar vienu voltu. Ir skaidrs, ka manuāla izturēšanās magnētiskajā laukā nespēj radīt lielu elektrisko strāvu. Šāda veida elektriskās strāvas avoti ir daudz efektīvāk parādījušies, tinumus vadot uz lielas spoles vai ražojot to bungas formā. Starp vārpstu starp magnētu un rotējošo ūdeni vai tvaiku tika uzstādīta spole. Šāds mehāniskās strāvas avots ir raksturīgs parastajiem ģeneratoriem.
Lieliskā Tesla
Lielisks zinātnieks no Serbijas Nikola Tesla, veltījis savu dzīvi elektrībai, veica daudzus atklājumus, kurus mēs šodien izmantojam. Daudzfāzu elektriskās mašīnas, asinhronie elektromotori, enerģijas pārvade ar daudzfāzu maiņstrāvu - tas nav viss lielā zinātnieka izgudrojumu saraksts.
Daudzi ir pārliecināti, ka fenomenu Sibīrijā, ko sauc par Tunguska meteorītu, faktiski izraisīja tieši Tesla. Bet, iespējams, viens no noslēpumainākajiem izgudrojumiem ir transformators, kas spēj uztvert spriegumu līdz piecpadsmit miljoniem voltu. Neparasta ir gan tās struktūra, gan aprēķini, kas nav piemērojami zināmiem likumiem. Bet tajās dienās viņi sāka attīstīt vakuuma paņēmienu, kurā nebija neviennozīmības. Tāpēc zinātnieka izgudrojums uz brīdi tika aizmirsts.
Bet šodien, parādoties teorētiskajai fizikai, interese par viņa darbu ir atjaunojusi interesi. Gaiss tika atzīts par gāzi, uz kuru attiecas visi gāzes mehānikas likumi. Tieši no turienes lielā Tesla patērēja enerģiju. Ir vērts atzīmēt, ka ētera teorija agrāk bija ļoti izplatīta daudzu zinātnieku vidū. Tikai ar SRT parādīšanos - Einšteina īpašo relativitātes teoriju, kurā viņš atspēkoja ētera esamību - tie tika aizmirsti, lai gan vēlāk formulētā vispārīgā teorija viņu kā tādu neapstrīdēja.
Bet pagaidām sīkāk pakavēsimies pie elektriskās strāvas un ierīcēm, kuras mūsdienās ir visuresošas.
Tehnisko ierīču izstrāde - pašreizējie avoti
Šādas ierīces tiek izmantotas, lai pārvērstu dažādu enerģiju elektriskajā enerģijā. Neskatoties uz to, ka fiziskās un ķīmiskās elektriskās enerģijas iegūšanas metodes tika atklātas jau sen, tās kļuva plaši izplatītas tikai divdesmitā gadsimta otrajā pusē, kad radioelektronika sāka strauji attīstīties. Sākotnējie pieci galvaniskie pāri tika papildināti ar vēl 25 veidiem. Un teorētiski galvanisko pāru var būt vairāki tūkstoši, jo brīvo enerģiju var realizēt uz jebkura oksidētāja un reducētāja.
Fizikālās strāvas avoti
Fiziskās strāvas avoti sāka attīstīties nedaudz vēlāk. Mūsdienu tehnoloģijas izvirzīja arvien stingrākas prasības, un rūpnieciskie termo- un termoģeneratori veiksmīgi tiek galā ar pieaugošajiem uzdevumiem. Fiziskās strāvas avoti ir ierīces, kurās starojuma un kodola sadalīšanās termiskā, elektromagnētiskā, mehāniskā un enerģija tiek pārveidota par elektrisko enerģiju. Papildus iepriekšminētajam, tie ietver arī elektrisko mašīnu, MHD ģeneratorus, kā arī darbiniekus saules starojuma pārvēršanai un atomu samazināšanai.
Lai elektriskā strāva vadītājā nepazustu, ir nepieciešams ārējs avots, lai saglabātu potenciālo starpību diriģenta galos. Šim nolūkam tiek izmantoti enerģijas avoti, kuriem ir zināms elektromotora spēks, lai radītu un uzturētu potenciālo starpību. Elektriskās strāvas avota EML mēra ar darbu, kas veikts pozitīvā lādiņa pārnešanas laikā visā slēgtajā ķēdē.
Pretestība strāvas avota iekšienē to kvantitatīvi raksturo, nosakot enerģijas zudumu daudzumu, izejot caur avotu.
Jauda un efektivitāte ir vienāda ar sprieguma attiecību ārējā elektriskajā ķēdē un EML.
Ķīmisko strāvu avoti
Ķīmiskās strāvas avots EML elektriskajā ķēdē ir ierīce, kurā ķīmisko reakciju enerģija tiek pārveidota par elektrisko enerģiju.
Tā pamatā ir divi elektrodi: negatīvi lādēts reducētājs un pozitīvi lādēts oksidētājs, kas ir saskarē ar elektrolītu. Starp elektrodiem pastāv potenciāla atšķirība, EMF.
Mūsdienu ierīcēs bieži tiek izmantotas:
- kā reducētājs, svins, kadmijs, cinks un citi;
- oksidētājs - niķeļa hidroksīds, svina oksīds, mangāns un citi;
- elektrolīti - skābju, sārmu vai sāļu šķīdumi.
Plaši tiek izmantoti sausie elementi, kas izgatavoti no cinka un mangāna. Paņemiet cinka trauku (ar negatīvu elektrodu). Pozitīvs elektrods tiek ievietots iekšpusē ar mangāna dioksīda maisījumu ar oglekļa vai grafīta pulveri, kas samazina pretestību. Elektrolīts ir pasta no amonjaka, cietes un citiem komponentiem.
Skābes svina akumulators visbiežāk ir sekundārs ķīmiskās strāvas avots elektriskajā ķēdē, kam ir liela jauda, stabila darbība un zemas izmaksas. Šāda veida baterijas tiek izmantotas dažādās jomās. Viņiem bieži dod priekšroku starta akumulatoriem, kas ir īpaši vērtīgi automašīnām, kurās tie parasti ir monopolisti.
Vēl viena izplatīta baterija sastāv no dzelzs (anoda), niķeļa oksīda hidrāta (katoda) un elektrolīta - kālija vai nātrija ūdens šķīduma. Aktīvo materiālu ievieto tērauda niķelētās caurulēs.
Šīs sugas izmantošana ir samazinājusies pēc ugunsgrēka Edisona rūpnīcā 1914. gadā. Tomēr, ja salīdzinām pirmā un otrā tipa bateriju parametrus, izrādās, ka dzelzs-niķeļa darbība var būt vairākas reizes garāka nekā svina-skābes.
Maiņstrāvas un līdzstrāvas ģeneratori
Ģeneratori ir ierīces, kas paredzētas mehāniskās enerģijas pārvēršanai elektriskajā enerģijā.
Vienkāršāko līdzstrāvas ģeneratoru var attēlot kā rāmi, kas izgatavots no vadītāja, kurš tika novietots starp magnētiskajiem poliem, un galus savienoja ar izolētiem pusgredzeniem (kolektoru). Lai ierīce darbotos, ir nepieciešams nodrošināt rāmja rotāciju ar kolektoru. Tad tajā tiks ierosināta elektriskā strāva, mainot tās virzienu spēka magnētisko līniju ietekmē. Ārējā ķēdē viņš ies vienā virzienā. Izrādās, ka kolektors koriģēs maiņstrāvu, ko rada rāmis. Lai panāktu līdzstrāvu, kolektors ir izgatavots no trīsdesmit sešām vai vairāk plāksnēm, un diriģents sastāv no daudziem rāmjiem armatūras tinuma formā.
Apsveriet, kāds ir strāvas avota mērķis elektriskajā ķēdē. Mēs noskaidrojam, kādi citi strāvas avoti pastāv.
Elektriskā ķēde: elektriskā strāva, strāvas stiprums, strāvas avots
Elektriskā ķēde sastāv no strāvas avota, kas kopā ar citiem objektiem rada ceļu strāvai. Un EML, strāvas un sprieguma jēdzieni atklāj vienlaikus notiekošos elektromagnētiskos procesus.
Vienkāršāko elektrisko ķēdi veido strāvas avots (akumulators, galvaniskā šūna, ģenerators utt.), Enerģijas patērētāji (elektriskie sildītāji, elektromotori utt.), Kā arī vadi, kas savieno sprieguma avota spailes un patērētāju.
Elektriskajai ķēdei ir iekšējā (elektrības avots) un ārējā (vadi, slēdži un slēdži, mērinstrumenti) daļas.
Tas darbosies un tam būs pozitīva vērtība tikai tad, ja tiks nodrošināta slēgta ķēde. Jebkura plīsuma dēļ strāva pārstāj plūst.
Elektrisko ķēdi veido strāvas avots galvanisko elementu, elektroakumulatoru, elektromehānisko un termoelektrisko ģeneratoru, saules bateriju utt. Veidā.
Elektriskie uztvērēji ir elektromotori, kas pārveido enerģiju mehāniskās, apgaismojuma un sildīšanas ierīcēs, elektrolīzes iekārtās utt.
Papildu aprīkojums ir ierīces, kas kalpo ieslēgšanai un izslēgšanai, mērinstrumenti un aizsargmehānismi.
Visas sastāvdaļas ir sadalītas:
- aktīvs (ja elektriskā ķēde sastāv no EML strāvas avota, elektromotoriem, akumulatoriem un tā tālāk);
- pasīva (kas ietver elektriskos uztvērējus un savienojošos vadus).
Ķēde var būt arī:
- lineāra, kur elementa pretestību vienmēr raksturo ar taisnu līniju;
- nelineāra, kur pretestība ir atkarīga no sprieguma vai strāvas.
Šeit ir vienkāršākā ķēde, kurā ķēdē ir iekļauts strāvas avots, atslēga, elektriskā spuldze, reostats.
Neskatoties uz šādu tehnisko ierīču plašu izmantošanu, īpaši nesen, cilvēki arvien vairāk uzdod jautājumus par alternatīvu enerģijas avotu uzstādīšanu.
