Iz tečaja fizike vsi vedo, da električni tok pomeni usmerjeno urejeno gibanje delcev, ki nosijo naboj. Da bi ga dobili, se v prevodniku oblikuje električno polje. Enako je potrebno, da električni tok še dolgo obstaja.
Viri električnega toka so lahko:
- statična;
- kemična;
- mehanski;
- polprevodnik.
V vsakem od njih se izvaja delo, kjer se ločijo različno nabiti delci, torej nastane električno polje tokovnega vira. Ločeni se kopičijo na polih, na mestih povezovanja vodnikov. Ko sta pola povezana s prevodnikom, se delci z nabojem začnejo premikati in nastane električni tok.
Viri električnega toka: izum električnega stroja
Do sredine sedemnajstega stoletja je bilo potrebno velikoprizadevanja. Hkrati se povečuje število znanstvenikov, ki se ukvarjajo s to problematiko. Tako je Otto von Guericke izumil prvi električni avtomobil na svetu. V enem od poskusov z žveplom se je ta, staljena v votli stekleni krogli, strdila in razbila steklo. Guericke je žogo okrepil, da se je dalo zasukati. Z vrtenjem in pritiskom na kos kože je dobil iskrico. To trenje je močno olajšalo kratkoročno proizvodnjo električne energije. Toda težji problemi so bili rešeni šele z nadaljnjim razvojem znanosti.
Težava je bila v tem, da so Guerikeine obtožbe hitro izginile. Da bi podaljšali trajanje naboja, so bila telesa nameščena v zaprte posode (steklenice), elektrificiran material pa je bila voda z žeblji. Poskus je bil optimiziran, ko je bila steklenica na obeh straneh prekrita s prevodnim materialom (na primer listi folije). Posledično so spoznali, da je mogoče brez vode.
Žabje noge kot vir energije
Drug način pridobivanja električne energije je prvi odkril Luigi Galvani. Kot biolog je delal v laboratoriju, kjer so eksperimentirali z elektriko. Videl je, kako se je skrčila mrtva žabja noga, ko jo je vzbudila iskra iz stroja. Toda nekega dne je isti učinek dosegel po naključju, ko se je znanstvenik dotaknil z jeklenim skalpelom.
Začel je iskati razloge, od koder prihaja električni tok. Viri električnega toka so po njegovem končnem zaključku bili v tkivih žabe.
Drug Italijan, Alessandro Volto, je dokazal neuspeh "žabje" narave toka. Ugotovljeno je bilo, da je največji toknastal, ko smo raztopini žveplove kisline dodali baker in cink. Ta kombinacija se imenuje galvanska ali kemična celica.
Toda uporaba takega orodja za pridobitev EMF bi bila predraga. Zato znanstveniki delajo na drugačnem, mehanskem načinu proizvodnje električne energije.
Kako deluje običajni generator?
V zgodnjem devetnajstem stoletju je G. H. Oersted je odkril, da se ob prehodu toka skozi prevodnik pojavi polje magnetnega izvora. Malo kasneje je Faraday odkril, da ko se silnice tega polja križajo, se v prevodniku inducira EMF, ki povzroči tok. EMF je odvisen od hitrosti gibanja in samih prevodnikov ter od jakosti polja. Pri prečkanju sto milijonov črt sile na sekundo je inducirana EMF postala enaka enemu voltu. Jasno je, da ročna prevodnost v magnetnem polju ni sposobna proizvesti velikega električnega toka. Tovrstni viri električnega toka so se izkazali veliko bolj učinkovito z navijanjem žice na veliko tuljavo ali proizvodnjo v obliki bobna. Tuljava je bila nameščena na gredi med magnetom in vrtečo se vodo ali paro. Tak mehanski vir toka je značilen za običajne generatorje.
Velika Tesla
Sijajni srbski znanstvenik Nikola Tesla, ki je svoje življenje posvetil elektriki, je naredil številna odkritja, ki jih uporabljamo še danes. Polifazni električni stroji, asinhroni elektromotorji, prenos moči preko večfaznega izmeničnega toka - to ni celoten seznam.izumi velikega znanstvenika.
Mnogi verjamejo, da je pojav v Sibiriji, imenovan Tunguski meteorit, dejansko povzročil Tesla. Toda morda je eden najbolj skrivnostnih izumov transformator, ki lahko sprejme napetost do petnajst milijonov voltov. Nenavadna je tako njegova naprava kot izračuni, ki ne podležejo znanim zakonitostim. Toda v tistih dneh so začeli razvijati vakuumsko tehnologijo, v kateri ni bilo dvoumnosti. Zato je bil izum znanstvenika za nekaj časa pozabljen.
Toda danes, s prihodom teoretične fizike, se je ponovno zanimanje za njegovo delo. Eter je bil priznan kot plin, za katerega veljajo vsi zakoni plinske mehanike. Od tam je veliki Tesla črpal energijo. Omeniti velja, da je bila teorija etra v preteklosti zelo pogosta med številnimi znanstveniki. Šele s pojavom SRT - Einsteinove posebne relativnostne teorije, v kateri je ovrgel obstoj etra - je bila pozabljena, čeprav ji splošna teorija, ki je bila oblikovana kasneje, ni oporekala kot taki.
Zaenkrat pa se osredotočimo na električni tok in naprave, ki so danes vseprisotne.
Razvoj tehničnih naprav - trenutni viri
Takšne naprave se uporabljajo za pretvorbo različne energije v električno energijo. Kljub temu, da so bile fizikalne in kemične metode za pridobivanje električne energije odkrite že zdavnaj, so postale razširjene šele v drugi polovici dvajsetega stoletja, ko se je začelo hitro razvijati.radijska elektronika. Prvotnih pet galvanskih parov je bilo dopolnjenih s še 25 tipi. In teoretično je lahko več tisoč galvanskih parov, saj je prosto energijo mogoče realizirati na katerem koli oksidantu in reduktantu.
Fizični viri toka
Fizični tokovni viri so se začeli razvijati nekoliko kasneje. Sodobna tehnologija je postavljala vse strožje zahteve, industrijski toplotni in termoionski generatorji pa so se uspešno spopadali z naraščajočimi nalogami. Viri fizičnega toka so naprave, pri katerih se toplotna, elektromagnetna, mehanska ter sevalna in jedrska energija razpadanja pretvori v električno energijo. Poleg naštetega vključujejo tudi električni stroj, MHD generatorje, pa tudi tiste, ki se uporabljajo za pretvorbo sončnega sevanja in atomskega razpada.
Da električni tok v prevodniku ne izgine, je potreben zunanji vir za vzdrževanje potencialne razlike na koncih prevodnika. Za to se uporabljajo viri energije, ki imajo neko elektromotorno silo za ustvarjanje in vzdrževanje potencialne razlike. EMF vira električnega toka se meri z delom, opravljenim s prenosom pozitivnega naboja po zaprtem krogu.
Upor znotraj tokovnega vira ga kvantitativno označuje in določa količino izgube energije pri prehodu skozi vir.
Moč in učinkovitost sta enaki razmerju napetosti v zunanjem električnem vezju in EMF.
Kemični viritrenutno
Kemični vir toka v električnem tokokrogu EMF je naprava, kjer se energija kemičnih reakcij pretvori v električno energijo.
Zasnovan je na dveh elektrodah: negativno nabite redukcijske in pozitivno nabite oksidacijske snovi, ki sta v stiku z elektrolitom. Med elektrodama nastane potencialna razlika, EMF.
Sodobne naprave pogosto uporabljajo:
- kot redukcijsko sredstvo - svinec, kadmij, cink in drugi;
- oksidant - nikelj hidroksid, svinčev oksid, mangan in drugi;
- elektrolit - raztopine kislin, alkalij ali soli.
Cink in mangan suhe celice se pogosto uporabljajo. Vzame se posoda iz cinka (z negativno elektrodo). V notranjost je nameščena pozitivna elektroda z mešanico manganovega dioksida z ogljikovim ali grafitnim prahom, kar zmanjša upor. Elektrolit je pasta iz amoniaka, škroba in drugih komponent.
Akumulator s svinčeno kislino je najpogosteje sekundarni kemični vir toka v električnem tokokrogu z visoko močjo, stabilnim delovanjem in nizkimi stroški. Baterije te vrste se uporabljajo na različnih področjih. Pogosto se uporabljajo za zagonske baterije, ki so še posebej dragocene v avtomobilih, kjer imajo na splošno monopol.
Druga običajna baterija je sestavljena iz železa (anoda), hidrata nikljevega oksida (katoda) in elektrolita - vodne raztopine kalija ali natrija. Aktivni material je nameščen v ponikljane jeklene cevi.
Uporaba te vrste se je zmanjšala po požaru v tovarni Edison leta 1914. Če pa primerjamo značilnosti prve in druge vrste baterij, se izkaže, da je delovanje železo-nikelj lahko večkrat daljše od svinčenih.
DC in AC generatorji
Generatorji so naprave, ki so namenjene pretvarjanju mehanske energije v električno energijo.
Najpreprostejši generator enosmerne napetosti lahko predstavimo kot okvir prevodnika, ki je nameščen med magnetna pola, konci pa povezani z izoliranimi polovičnimi obroči (kolektorjem). Za delovanje naprave je potrebno zagotoviti vrtenje okvirja s kolektorjem. Nato se bo v njem induciral električni tok, ki bo pod vplivom črt magnetnega polja spremenil svojo smer. V zunanji verigi bo šel v eno smer. Izkazalo se je, da bo kolektor popravil izmenični tok, ki ga ustvari okvir. Za doseganje konstantnega toka je kolektor sestavljen iz šestintridesetih ali več plošč, prevodnik pa je sestavljen iz številnih okvirjev v obliki navitja armature.
Poglejmo, kaj je namen tokovnega vira v električnem tokokrogu. Ugotovimo, kateri drugi trenutni viri obstajajo.
Električno vezje: električni tok, jakost toka, vir toka
Električni tokokrog je sestavljen iz tokovnega vira, ki skupaj z drugimi predmeti ustvarja pot za tok. In koncepti EMF, toka in napetosti razkrivajo elektromagnetne procese, ki se pojavljajo v tem primeru.
Najenostavnejši električni tokokrog je sestavljen iz vira toka (baterija, galvanska celica, generator itd.), porabnikov energije (električni grelniki, elektromotorji itd.), pa tudi žic, ki povezujejo sponke napetosti vir in potrošnik.
Električni tokokrog ima notranje (vir električne energije) in zunanje (žice, stikala in stikala, instrumenti za merjenje) dele.
Deloval bo in imel pozitivno vrednost samo, če je zagotovljen zaprt krog. Vsak prelom povzroči, da se tok ustavi.
Električni tokokrog je sestavljen iz vira toka v obliki galvanskih celic, električnih akumulatorjev, elektromehanskih in termoelektričnih generatorjev, fotocelic itd.
Elektromotorji delujejo kot električni sprejemniki, ki pretvarjajo energijo v mehanske, svetlobne in ogrevalne naprave, elektrolizne naprave itd.
Pomožna oprema so naprave, ki se uporabljajo za vklop in izklop, merilne instrumente in zaščitne mehanizme.
Vse komponente so razdeljene na:
- aktivno (kjer je električni tokokrog sestavljen iz tokovnega vira EMF, električnih motorjev, baterij itd.);
- pasivna (ki vključuje električne sprejemnike in povezovalne napeljave).
veriga je lahko tudi:
- linearno, kjer je upor elementa vedno označen z ravna črta;
- nelinearno, kjer je upor odvisen odnapetost ali tok.
Tu je najpreprostejše vezje, kjer so v vezje vključeni vir toka, ključ, električna svetilka, reostat.
Kljub vseprisotnosti tovrstnih tehničnih naprav, zlasti v zadnjem času, se ljudje vse pogosteje sprašujejo o vgradnji alternativnih virov energije.
Različitnost virov električne energije
Kateri viri električnega toka še obstajajo? To niso samo sonce, veter, zemlja in plima. Postali so že tako imenovani uradni alternativni viri električne energije.
Moram reči, da obstaja veliko alternativnih virov. Niso pogosti, ker še niso praktični in priročni. A kdo ve, morda bo prihodnost tik za njimi.
Torej lahko električno energijo pridobimo iz slane vode. Norveška je že zgradila elektrarno s to tehnologijo.
Elektrarne lahko delujejo tudi na gorivne celice s trdnim oksidnim elektrolitom.
Za piezoelektrične generatorje je znano, da jih poganja kinetična energija (s to tehnologijo že obstajajo pešpoti, vrtinci in celo plesišča).
Obstajajo tudi nanogeneratorji, ki so namenjeni pretvarjanju energije v človeškem telesu v električno energijo.
Kaj pa alge, ki se uporabljajo za ogrevanje hiš, nogometni meči, ki ustvarjajoelektrična energija, kolesa, ki lahko polnijo pripomočke, in celo fino rezan papir, ki se uporablja kot vir energije?
Ogromni obeti seveda pripadajo razvoju vulkanske energije.
Vse to je današnja realnost, na kateri delajo znanstveniki. Možno je, da bodo nekatere od njih kmalu postale povsem običajne, na primer elektrika v domovih danes.
Morda bo kdo razkril skrivnosti znanstvenika Nikole Tesle in bo človeštvo lahko brez težav prejemalo elektriko iz etra?
