Füüsika kursusest teavad kõik, et elektrivool tähendab laengut kandvate osakeste suunatud järjestatud liikumist. Selle saamiseks moodustatakse juhis elektriväli. Sama on vajalik selleks, et elektrivool jätkuks pikaks ajaks.
Elektrivoolu allikad võivad olla:
- staatiline;
- keemiline;
- mehaaniline;
- pooljuht.
Igaühes neist tehakse tööd, kus eralduvad erinev alt laetud osakesed ehk tekib vooluallika elektriväli. Eraldatuna kogunevad need poolustele, juhtmete ühenduskohtadesse. Kui poolused on ühendatud juhiga, hakkavad laenguga osakesed liikuma ja tekib elektrivool.
Elektrivoolu allikad: elektrimasina leiutis
Kuni seitsmeteistkümnenda sajandi keskpaigani võttis see palju aegajõupingutusi. Samal ajal on selle probleemiga tegelevate teadlaste arv kasvanud. Ja nii leiutas Otto von Guericke maailma esimese elektriauto. Ühes katses väävliga õõnes klaaskuuli sees sulanud see kõvastus ja purustas klaasi. Guericke tugevdas palli nii, et seda sai väänata. Seda keerates ja nahatükki vajutades tekkis tal säde. See hõõrdumine hõlbustas oluliselt lühiajalist elektritootmist. Kuid keerulisemad probleemid lahenesid alles teaduse edasise arenguga.
Probleem oli selles, et Guerike'i süüdistused kadusid kiiresti. Laengu kestuse pikendamiseks paigutati surnukehad suletud anumatesse (klaaspudelitesse), elektrifitseeritud materjaliks oli naelaga vesi. Katse optimeeriti, kui pudel kaeti mõlem alt poolt juhtiva materjaliga (näiteks fooliumilehed). Selle tulemusena mõistsid nad, et ilma veeta saab hakkama.
Toiteallikana konnajalad
Teise elektritootmise viisi avastas esmakordselt Luigi Galvani. Bioloogina töötas ta laboris, kus katsetati elektriga. Ta nägi, kuidas surnud konna jalg kokku tõmbus, kui teda ergutas masinast tulnud säde. Kuid ühel päeval saavutati sama efekt kogemata, kui teadlane teda terasskalpelliga puudutas.
Ta hakkas otsima põhjuseid, miks elektrivool tuli. Tema lõpliku järelduse kohaselt olid elektrivoolu allikad konna kudedes.
Veel üks itaallane, Alessandro Volto, tõestas voolu "konna" olemuse ebaõnnestumist. On täheldatud, et suurim vooltekkis siis, kui väävelhappe lahusele lisati vaske ja tsinki. Seda kombinatsiooni nimetatakse galvaaniliseks või keemiliseks elemendiks.
Kuid sellise tööriista kasutamine elektromagnetväljade saamiseks oleks liiga kulukas. Seetõttu on teadlased töötanud elektrienergia tootmiseks teistsuguse mehaanilise viisi kallal.
Kuidas tavaline generaator töötab?
Üheksateistkümnenda sajandi alguses G. H. Oersted avastas, et kui vool läbis juhi, tekkis magnetilise päritoluga väli. Veidi hiljem avastas Faraday, et kui selle välja jõujooned ristuvad, indutseeritakse juhis EMF, mis tekitab voolu. EMF varieerub sõltuv alt liikumiskiirusest ja juhtidest endist, samuti väljatugevusest. Ületades saja miljoni jõujoone sekundis, muutus indutseeritud EMF võrdseks ühe voltiga. On selge, et käsitsijuhtimine magnetväljas ei ole võimeline tekitama suurt elektrivoolu. Seda tüüpi elektrivooluallikad on ennast palju tõhusam alt näidanud, kerides traadi suurele poolile või valmistades selle trumli kujul. Mähis paigaldati võllile magneti ja pöörleva vee või auru vahele. Selline mehaaniline vooluallikas on omane tavapärastele generaatoritele.
Suurepärane Tesla
Serbia hiilgav teadlane Nikola Tesla, kes pühendas oma elu elektrile, tegi palju avastusi, mida kasutame siiani. Mitmefaasilised elektrimasinad, asünkroonsed elektrimootorid, jõuülekanne mitmefaasilise vahelduvvoolu kaudu - see pole kogu nimekiri.suure teadlase leiutised.
Paljud usuvad, et Siberis esineva nähtuse, mida nimetatakse Tunguska meteoriidiks, põhjustas tegelikult Tesla. Kuid võib-olla on üks salapärasemaid leiutisi trafo, mis suudab vastu võtta kuni viisteist miljonit volti pinget. Ebatavaline on nii selle seade kui ka arvutused, mis ei allu teadaolevatele seadustele. Kuid neil päevil hakkasid nad välja töötama vaakumtehnoloogiat, milles puudusid ebaselged. Seetõttu unustati teadlase leiutis mõneks ajaks.
Kuid täna, teoreetilise füüsika tulekuga, on huvi tema töö vastu taas tärganud. Eetrit tunnistati gaasiks, millele kehtivad kõik gaasimehaanika seadused. Se alt ammutas suur Tesla energiat. Väärib märkimist, et eetri teooria oli minevikus paljude teadlaste seas väga levinud. Alles SRT – Einsteini erirelatiivsusteooria, milles ta kummutas eetri olemasolu – tulekuga unustati see, kuigi hiljem sõnastatud üldteooria seda kui sellist ei vaidlustanud.
Aga praegu peatume elektrivoolul ja seadmetel, mis on tänapäeval üldlevinud.
Tehniliste seadmete arendus – praegused allikad
Selliseid seadmeid kasutatakse erineva energia muundamiseks elektrienergiaks. Hoolimata asjaolust, et füüsikalised ja keemilised meetodid elektrienergia genereerimiseks avastati juba ammu, levisid need laialdaselt alles 20. sajandi teisel poolel, mil see hakkas kiiresti arenema.raadioelektroonika. Algset viit galvaanipaari täiendati veel 25 tüübiga. Ja teoreetiliselt võib galvaanipaare olla mitu tuhat, kuna vaba energiat saab realiseerida mis tahes oksüdeerijal ja redutseerijal.
Füüsilised vooluallikad
Füüsikalised vooluallikad hakkasid arenema veidi hiljem. Kaasaegne tehnoloogia seadis üha karmimaid nõudeid ning tööstuslikud soojus- ja termoelektroonilised generaatorid tulid järjest kasvavate ülesannetega eduk alt toime. Füüsikalised vooluallikad on seadmed, kus soojus-, elektromagnet-, mehaaniline ja kiirgus- ja tuumalagunemisenergia muundatakse elektrienergiaks. Lisaks ül altoodule hõlmavad need ka elektrimasinaid, MHD generaatoreid ning neid, mida kasutatakse päikesekiirguse ja aatomi lagunemise muundamiseks.
Selleks, et elektrivool juhis ei kaoks, on vaja välist allikat, et säilitada potentsiaalide erinevust juhtme otstes. Selleks kasutatakse energiaallikaid, millel on mingi elektromotoorjõud potentsiaalsete erinevuste tekitamiseks ja säilitamiseks. Elektrivooluallika EMF-i mõõdetakse positiivse laengu ülekandmisel suletud vooluringis.
Takistus vooluallika sees iseloomustab seda kvantitatiivselt, määrates ära energiakao suuruse allika läbimisel.
Võimsus ja kasutegur on võrdsed välise elektriahela pinge ja EMF-i suhtega.
Keemilised allikadpraegune
Keemiline vooluallikas elektriahelas EMF on seade, kus keemiliste reaktsioonide energia muundatakse elektrienergiaks.
See põhineb kahel elektroodil: negatiivselt laetud redutseerival ainel ja positiivselt laetud oksüdeerijal, mis puutuvad kokku elektrolüüdiga. Elektroodide vahel tekib potentsiaalide erinevus, EMF.
Kaasaegsed seadmed kasutavad sageli:
- redutseerijana - plii, kaadmium, tsink ja teised;
- oksüdant - nikkelhüdroksiid, pliioksiid, mangaan ja teised;
- elektrolüüt – hapete, leeliste või soolade lahused.
Tsingi ja mangaani kuivrakke kasutatakse laialdaselt. Võetakse tsingist valmistatud anum (millel on negatiivne elektrood). Positiivne elektrood asetatakse sisse mangaandioksiidi ja süsiniku või grafiidipulbri seguga, mis vähendab takistust. Elektrolüüt on ammoniaagi, tärklise ja muude komponentide pasta.
Pliiaku on enamasti sekundaarne keemiline vooluallikas elektriahelas, millel on suur võimsus, stabiilne töö ja madal hind. Seda tüüpi akusid kasutatakse erinevates valdkondades. Neid eelistatakse sageli käivitusakude jaoks, mis on eriti väärtuslikud autodes, kus neil on üldiselt monopol.
Teine levinud aku koosneb rauast (anood), nikkeloksiidhüdraadist (katoodist) ja elektrolüüdist – kaaliumi või naatriumi vesilahusest. Aktiivne materjal asetatakse nikeldatud terastorudesse.
Selle liigi kasutamine vähenes pärast Edisoni tehase tulekahju 1914. aastal. Kui aga võrrelda esimest ja teist tüüpi akude omadusi, siis selgub, et raudnikli töö võib olla mitu korda pikem kui pliihappega.
Alalis- ja vahelduvvoolugeneraatorid
Generaatorid on seadmed, mille eesmärk on mehaanilise energia muundamine elektrienergiaks.
Lihtsaima alalisvoolu generaatori saab kujutada juhtme raamina, mis asetati magnetpooluste vahele ja mille otsad ühendati isoleeritud poolrõngastega (kollektor). Seadme töötamiseks on vaja tagada raami pöörlemine kollektoriga. Seejärel indutseeritakse selles elektrivool, mis muudab magnetvälja jõujoonte mõjul selle suunda. Välisahelas läheb see ühes suunas. Selgub, et kollektor alaldab raami tekitatud vahelduvvoolu. Püsivoolu saavutamiseks on kollektor valmistatud kolmekümne kuuest või enamast plaadist ja juht koosneb paljudest armatuurimähise kujul olevatest raamidest.
Mõelgem, mis on elektriahela vooluallika eesmärk. Uurime välja, millised muud praegused allikad on olemas.
Elektriahel: elektrivool, voolutugevus, vooluallikas
Elektriahel koosneb vooluallikast, mis koos teiste objektidega loob voolutee. Ja mõisted EMF, vool ja pinge näitavad sel juhul toimuvaid elektromagnetilisi protsesse.
Lihtsaim elektriahel koosneb vooluallikast (aku, galvaaniline element, generaator jne), energiatarbijatest (elektriküttekehad, elektrimootorid jne), aga ka pinge klemme ühendavatest juhtmetest. allikas ja tarbija.
Elektriahelal on sisemised (elektriallikas) ja välised (juhtmed, lülitid ja lülitid, mõõteriistad) osad.
See töötab ja sellel on positiivne väärtus ainult suletud vooluringi korral. Iga katkestus põhjustab voolu peatumise.
Elektriahel koosneb galvaaniliste elementide, elektriakude, elektromehaaniliste ja termoelektriliste generaatorite, fotoelementide jms kujul olevast vooluallikast.
Elektrimootorid toimivad elektrivastuvõtjatena, mis muudavad energia mehaanilisteks, valgustus- ja kütteseadmeteks, elektrolüüsiseadmeteks ja nii edasi.
Abiseadmed on sisse- ja väljalülitamiseks kasutatavad seadmed, mõõteriistad ja kaitsemehhanismid.
Kõik komponendid on jagatud:
- aktiivne (kus elektriahel koosneb EMF-i vooluallikast, elektrimootoritest, akudest ja nii edasi);
- passiivne (mis hõlmab elektrivastuvõtjaid ja ühendusjuhtmeid).
Kett võib olla ka:
- lineaarne, kus elemendi takistust iseloomustab alati sirgjoon;
- mittelineaarne, kus takistus sõltubpinge või vool.
Siin on kõige lihtsam vooluahel, kus vooluallikas, võti, elektrilamp, reostaat on vooluahelasse kaasatud.
Hoolimata selliste tehniliste seadmete levikust, eriti viimasel ajal, esitavad inimesed üha enam küsimusi alternatiivsete energiaallikate paigaldamise kohta.
Erinevad elektrienergia allikad
Millised elektrivoolu allikad veel eksisteerivad? See pole ainult päike, tuul, maa ja looded. Neist on juba saanud niinimetatud ametlikud alternatiivsed elektrienergia allikad.
Pean ütlema, et alternatiivseid allikaid on palju. Need pole levinud, sest pole veel praktilised ja mugavad. Aga kes teab, võib-olla on tulevik nende taga.
Seega, elektrienergiat saab soolasest veest. Norra on seda tehnoloogiat kasutades juba ehitanud elektrijaama.
Elektrijaamad võivad töötada ka tahke oksiidelektrolüüdiga kütuseelementidel.
Piesoelektrigeneraatorid töötavad teadaolev alt kineetilise energia abil (selle tehnoloogiaga on juba olemas jalgrajad, kiirustõkked, turnikeed ja isegi tantsupõrandad).
On olemas ka nanogeneraatoreid, mille eesmärk on inimkeha energia muundamine elektrienergiaks.
Ja kuidas on lood majade kütmiseks kasutatavate vetikatega, jalgpalli mõõkadega, mis tekitavadelektrienergia, jalgrattad, millega saab laadida vidinaid, ja isegi peeneks lõigatud paber, mida kasutatakse toiteallikana?
Tohutud väljavaated kuuluvad loomulikult vulkaanilise energia arengule.
See kõik on tänapäeva reaalsus, mille kallal teadlased töötavad. Võimalik, et mõned neist muutuvad peagi täiesti tavaliseks, nagu tänapäeval elekter kodudes.
Võib-olla paljastab keegi teadlase Nikola Tesla saladused ja inimkond saab hõlpsasti eetrist elektrit vastu võtta?
