Кто придумал электричество и как его получить
Естественное электричество
Если начать издалека, то очевидно, что электрические разряды встречаются в природе. Первым на ум приходит грозовой разряд — молния. Это связано с тем, что его можно увидеть, он несёт угрозу, и людей с детства учат, как вести себя в грозу.
Краткая физика грозы — наличие разности потенциалов между землей и тучей, либо между тучами. Причем, о том, что суть молнии — это электрический разряд, а не гнев богов, было сказано лишь в 18 веке Бенджамином Франклином. Молнии не есть прерогатива планеты Земля — встречаются они и на других планетах, а значит явление это всеохватывающее, вселенского масштаба.
За долгие века до Франклина, человек, известный как Фалес, вырабатывал электричество между янтарной палочкой и шерстью. Тогда правда он не понимал, что это электроны, так как их открыли позже. Он просто видел, что после трения, мелкие предметы притягивались к палочке. Та самая эбонитовая палочка, с названия которой вы хохотали в школе на уроках физики. Возможно он считал, что это суть явление магнетизма, а не электричества.
Электричество встречается и в живых существах. Например, рыбы: электрические скаты, угри, африканские сомы. Величина напряжения у данных особей может доходить до 600 вольт, а сила тока превышать десятки ампер. Также известны рыбы с электрической локацией (клюворылообразные). У наземных созданий молнии вроде не вырываются, кроме разве мультипликационного Пикачу.
Ну и естественно атомы — ядро, протоны, электроны, нейтроны. Протоны это положительно заряженные частицы, электроны — отрицательно. Упорядоченное движение электронов — это ток. Но ток не течет, так как число протонов уравновешено числом электронов. Если же это равенство нарушается, то вещество имеет заряд. Тоже электричество. Все эти мозговые импульсы, мышечные сокращения, да и статическое электричество в конце-концов.
Всё вышеописанное конечно интересно, но имеет мало практического применения. Не будем же мы заставлять скатов бить разрядом по лампочкам, чтобы у нас был свет.
Как люди приручили электричество
Почему люди вообще пришли к выводу, что электричество может оказаться им полезным? Ведь воду, огонь, землю можно осязать, потрогать — найти применение в общем. А дело всё в светлом уме, который рождался и переходил от одного ученого к другому сквозь эпохи. То есть я хочу сказать, что цепь открытий ученых привела электричество к тому виду, что мы имеем сейчас.
Естественно вначале изобрели ток постоянный, и даже производились попытки его сохранить, для этих целей отлично подходили аналоги конденсаторов. Второй задачей являлось это электроэнергию передать на расстояние. Решить тот же вопрос с освещением. До 18 века с электричеством было так себе, в плане развития. Зато с 18 века понеслось: изобретение Лейденской банки, изучение атмосферного электричества, формулирования закона Кулона, изобретение лампы накаливания, опыты Ампера, Джоуля, Ома, Ленца, Гаусса, открытие электромагнитной индукции и первые образцы электродвигателей и генераторов. В конце 19 века появляются первые электростанции, далее конвейеры, электроника — и темпы растут в миллионы раз быстрее… И технократию уже было не остановить.
Важнейшим же для промышленного применения стало использование трехфазного переменного тока, как наиболее эффективного и экономичного. Здесь стоит упомянуть войну постоянного и переменного токов — противостояние, за которым стояли Никола Тесла и Томас Эдисон для обывателей, а также интересы корпораций для сторонников теорий заговоров. Сейчас же мы знаем, что использование переменного тока более выгодно за счет трансформации величины напряжения, следовательно уменьшения тока в проводнике, и следовательно следовательно — меньшим расходом сечения проводников (тех же лэп, кабелей). Мощность при этом, как произведение тока на напряжение остается одинаковой. Правда, не все так идеально, ведь борьбу с потерями мощности при передаче на длительные расстояния никто не отменял. Но в наш век экономики лидерство за током переменным. Хотя и постоянный широко используется — медицина, химпромышленность, электроника.
Источник
Способ получения электрического тока
Владельцы патента RU 2669002:
Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в обеспечении возможности получения электроэнергии в любой точке Земли, в любое время года и суток, при любых погодных условиях. Электрический ток получают за счет использования энергии движущегося магнитного поля Земли, которое наводит в проводниках, расположенных перпендикулярно вектору магнитной индукции поля и вектору, направления движения этого поля. 1 ил.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для получения электроэнергии в любой точке Земли, в любое время года и суток, при любых погодных условиях.
Известны способы получения электрического тока, в которых используются традиционные виды энергии: тепловая (за счет сжигания различных видов топлива), механическая (энергия движущейся воды, либо ветра), атомная (Большая Советская энциклопедия. — М.: Сов. энциклопедия, 1978 г., т. 10, стр. 580).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения электрического тока и источник тока, использующий энергию солнечного излучения (Политехнический словарь. — М.: Сов. энциклопедия, 1989 г., стр. 491).
Известные способы и устройства получения тока требуют существенных затрат на их реализацию и связаны с нанесением вреда экологии.
К недостаткам источников тока, преобразующих энергию солнечного излучения, является то, что для его реализации необходим солнечный свет, таким образом, генерация ограничена светлым временем суток и зоной земной поверхности с относительно большим количеством солнечных дней в году. Кроме того, требуется высокотехнологичное производство для изготовления солнечных батарей.
Целью изобретения является обеспечение работы устройств генерации электрической энергии при этом в качестве источника тока в данном случае является электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в проводниках предложенного устройства, при их расположении под углом отличным от 0° относительно направления движения векторов магнитной индукции, т.е. относительно смещения линий магнитной индукции В (силовых линий магнитного поля). В этих условиях обеспечиваются относительно небольшие затраты на реализацию по сравнению с известными способами, минимизация экологического вреда, возможность круглосуточной работы, независимость от места размещения устройств реализации способа и практически неиссякаемость источника энергии.
Способ получения электрической энергии, отличающийся тем, что для получения электрической энергии используется энергия постоянного перемещения магнитного поля Земли, обусловленного движением магнитных полюсов Земли, которое возбуждает в проводниках, размещаемых у земной поверхности перпендикулярно к направлению движения вектора магнитной индукции электродвижущую силу.
В результате того, что магнитные полюса Земли постоянно смещаются со скоростью 60 км в год (1,9⋅10 -3 м/с) (см. Википедия, Справочник по физике. Под ред. X. Штекера. — М.: Техносфера, 2009 г., стр. 538) происходит постоянное смещение силовых линий напряженности магнитного поля у поверхности Земли. По этой причине, при помещении неподвижного проводника (например, отрезка кабеля с медной жилой), ориентированного в пространстве таким образом, что силовые линии напряженности магнитного поля перпендикулярны по отношению к проводнику и вектор направления движения магнитного поля также перпендикулярен (поперечен) относительно продольной оси вытянутого проводника (в частном случае провода), в проводнике возникает э.д.с. электромагнитной индукции пропорциональная скорости движения магнитного потока, (см. Калашников С.Г. Электричество. — М.: Наука, 1977 с. 182-184). Величина Э.Д.С. рассчитывается по формуле
где В — составляющая магнитной индукции, перпендикулярная к проводнику;
— длина проводника;
ν — скорость движения магнитного поля.
Угол α между вектором магнитной индукции В и вектором скорости ν равен 0,5π для случая соответствующего максимуму ЭДС.
Средняя величина магнитной индукции магнитного поля Земли равна 0,2⋅10 -4 Т. У магнитных полюсов эта величина возрастает примерно в 1,94 раза (Википедия).
Устройство получения электрического тока, содержащее платформу из диэлектрического материала, на которой параллельно друг другу размещены равные по длине N проводников и N-1 отрезков коаксиальных кабелей, причем все проводники и центральные жилы коаксиальных кабелей соединены последовательно, экраны всех коаксиальных кабелей заземлены с обоих концов, начало первого проводника подключено к нагрузке, конец последнего проводника заземлен, платформа ориентирована в пространстве так, что вектор магнитной индукции движущегося магнитного поля Земли и вектор направления движения его перпендикулярны относительно продольных осей проводников и отрезков коаксиальных кабелей на неподвижной платформе, отличающееся тем, что в качестве энергетического поля используют постоянное движение магнитного поля Земли, которое при своем движении создает в проводниках электродвижущую силу, обеспечивающую появление тока во внешней электрической цепи с нагрузкой.
Число проводников и отрезков, коаксиальных кабелей и их длина определяются требованием к суммарной э.д.с. устройства. Поскольку все проводники равны по длине и соединены последовательно, суммарная э.д.с. равна произведению N на величину э.д.с, наводимую в одном проводнике. Заземленный экран коаксиальных кабелей экранирует провод, соединяющий конец каждого предыдущего проводника с последующим, что предотвращает наводку на соединительном проводе э.д.с. Иначе э.д.с. проводника и провода, предназначенного для последовательного соединения проводников, компенсируют друг друга, т.к. они параллельны, имеют одинаковую длину и по этой причине одинаковую полярность и величину наведенной э.д.с, т.е. всегда будут направлены либо встречно, либо в противоположные стороны, что зависит от направления движения магнитного поля относительно проводников.
Блок-схема реализации предлагаемого способа получения электрической энергии представлен на Фиг.
Обозначения, принятые на Фиг.:
2 — отрезок коаксиального кабеля;
В — вектор магнитной индукции поля Земли;
ν — вектор скорости движения магнитного поля Земли.
Пример. Величина магнитной индукции В=0,2⋅10 -4 Т, скорость движения полюсов ν=60 км/год=1,9⋅10 -3 м/с, Заданы длина проводника 
число последовательно соединенных проводников N=1000. Расстояние между осями проводников и отрезков коаксиальных кабелей 1 см поэтому размер платформы ограничен размерами 10 м.×10 м. Суммарная э.д.с 
На площади 100 м 2 может быть размещено 100 таких платформ и в этом случае э.д.с. будет равна 333,3 В.
Таким образом, предлагаемый способ и устройство позволяют получить относительно дешевую электрическую энергию при минимальном ущербе экологии.
Способ получения электрической энергии, отличающийся тем, что для получения электрической энергии используется энергия постоянного перемещения магнитного поля Земли, обусловленного движением магнитных полюсов Земли, которое возбуждает в проводниках, размещаемых у земной поверхности перпендикулярно к направлению движения вектора магнитной индукции, электродвижущую силу.
Источник
Как получить переменный электрический ток?
Практически все знают, что в бытовой сети повсеместно используется переменное напряжение, как результат, питание всех домашних устройств осуществляется переменным током. Однако, далеко не всем известны способы получение переменного тока, особенности формирования электрической величины и способы, которыми он генерируется на практике. Поэтому в рамках статьи мы рассмотрим как теоретический, так и практический аспект данного вопроса.
Теория
С одной стороны каждому известно, что первое знакомство человечества с электрической энергией произошло на примере постоянного тока. Только в 1831 году исследование явления магнитной индукции привели к генерации переменных токов. Первые эксперименты задействовали электрический проводник, помещаемый в магнитный поток.
Для примера вам следует рассмотреть обычный проводник, приведенный в состояние замкнутого контура, края проводника можно подключить к измерительному прибору для фиксации изменения электрических величин.
Далее вам необходимо:
- взять хороший магнит, если под рукой имеется мощный неодимовый, то он подойдет лучше всего;
- подключите проводник к гальванометру, всю электрическую цепь положите на стол или другую поверхность из изолирующего материала;
- поднесите магнит к проводнику как можно ближе, желательно, чтобы расстояние было не больше 10 мм;
- сделайте резкое движение в перпендикулярной плоскости по отношению к проводнику;
- обратите внимание на прибор, стрелка гальванометра отклонится от равновесного положения в какую-либо сторону – в результате электромагнитных колебаний в проводнике наводится ЭДС индукции, которая и обуславливает возникновение переменного тока в замкнутом контуре.
Повторите манипуляцию с магнитом несколько раз, и вы увидите, как гальванометр равномерно отклоняется в сторону, по мере приближения полюса к проводнику и так же равномерно возвращается в исходную позицию по мере удаления магнита. Отклонение стрелки свидетельствует об изменении величины тока и потенциала, индуцируемых в металле. Амплитуда колебаний тока не постоянна во времени, из-за чего данная величина и называется переменной.
Заметьте, если перемещать возле провода один магнитный полюс, то стрелка будет отклоняться в одном направлении, если повернуть противоположным магнитным полюсом, то и направление отклонения стрелки соответственно изменится.
Один контур представляет собой лишь пример для понимания сути получения переменного электрического тока, так как ЭДС в нем будет слишком малой и мощности не хватит даже для питания светодиода. В промышленных масштабах вместо вращения витка используют целые обмотки с множеством витков. На практике не имеет значения, происходит движение магнита относительно проводника или это замкнутый контур движется по отношению к полюсу магнита.
Поэтому для изменения ЭДС в обмотках генератора может применяться как принцип вращения ротора из магнитного материала внутри обмоток статора, так и наоборот, обмоток ротора внутри магнитного статора.
Сама величина электродвижущей силы определяется из соотношения физических параметров по такой формуле:
где n – это количество витков обмоток
а соотношение dФB/dt – это скорость изменения электромагнитной индукции во времени.
Способы получения
Сегодня насчитывается довольно большое количество методов получения переменного тока. Поэтому в рамках статьи мы рассмотрим наиболее интересные с практической точки зрения.
Рамка с магнитами
Для этого вам понадобится рамка из любого металла, концы которой позволяют организовать вращение. С противоположных концов по отношению к рамке устанавливаются два магнита, направленные противоположными полюсами. Следует заметить, что величина переменного тока будет зависеть от сопротивления проводов, поэтому лучше брать изделие большого сечения и с высокой удельной проводимостью. При вращении контура в его электрической сети будет наводится ЭДС, которая и приведет к протеканию переменного тока.
Рис. 1. Рамкой и магнитами
Как видите на рисунке выше, при равномерном максимальном удалении сторон металлического кольца от полюсов магнита величина электродвижущей силы равна нулю, магнитные линии не пересекают проводник. Синусоида напряжения и тока берут начало из нулевой отметки. Затем происходит движение рамки и ЭДС изменяется до тех пор, пока не достигнет своего максимума при оптимальном приближении сторон к магнитам. По мере дальнейшего вращения рамки ее стороны снова будут удаляться от магнитов и переменная ЭДС снова снизится до нуля.
При перемене положения меняется и направление протекания переменного тока, что на графике отображается в виде перехода кривой в отрицательную плоскость графика. Разумеется, для промышленных генераторов такая схема не подходит, поэтому в них используется усовершенствованный принцип.
Асинхронный и синхронный генератор
Асинхронная электрическая машина по своей конструкции схожа с устройством трансформатора. Ее используют для генерации и передачи электроэнергии переменного тока в трехфазных сетях. Как правило, электрическая машина может использоваться и как трехфазный двигатель, и как генератор, многие из них являются обратимыми.
По своему устройству она напоминает рамку, но в трехфазном исполнении – для каждой из фаз в статоре помещается своя катушка, заменяющая один виток кольца. Все обмотки фаз смещены друг относительно друга на 120° в геометрической плоскости.
Рис. 2. Устройство асинхронного генератора
Благодаря физическому смещению обмоток, переменный ток наводится в них с тем запозданием, по отношению к предыдущей фазе, которое требует ротору для преодоления соответствующего расстояния. За счет чего напряжение и ток в каждой из фаз получаются смещенными друг относительно друга. Частота вращения определяет скорость пересечения синусоидой оси абсцисс за единицу времен. В отечественных сетях промышленная частота переменного тока составляет 50Гц.
Рис. 3. Напряжение в трехфазной сети
Однако, как генераторы переменного тока, асинхронные машины имеют ряд недостатков:
- большие пусковые токи;
- отставание электродвижущей силы от магнитного поля, которое ее индуцирует;
- меньшая степень контроля за системой.
Поэтому сейчас довольно часто применяется схема генератора синхронного типа. Конструктивно он схож с предыдущей моделью, с тем отличием, что он имеет дополнительную катушку, подключаемую через скользящий контакт. Она в значительной мере снижает пусковые токи и облегчает работу.
Рис. 4. Схема синхронного генератора
Инвертор
За счет развития технологий, переменный ток в современном мире можно запросто получить не только от трехфазных генераторов. Немаловажную роль играют солнечные электростанции, которые производят постоянный ток, мало применяемый в быту и производстве напрямую. Для преобразования готового постоянного тока в переменный, используются специальные приборы – инверторы.
Рис. 5. Схема инвертора
На рисунке 5 выше приведен пример простейшего инвертора для получения переменного тока. Как видите, постоянное напряжение с батареи подается на пару транзисторов VT1 и VT2. За счет отличий в скорости открытия, один из транзисторов будет открываться раньше и весь ток пойдет через него до получения некоторого прообраза полупериода. Конечно, такая кривая переменного тока будет далека от идеальной синусоиды, но более чем достаточно для повышения величины напряжения на трансформаторе Tr до 220В.
Это наиболее простой вариант преобразования постоянного напряжения в переменное, он может не выдавать одинаковую частоту с индукционными генераторами и рассматривается нами только в качестве примера. Для домашнего и производственного использования выпускают более сложные модели.
Источник
