Чому саме електроенергія стала такою поширеною, що робить її зручною для нашого використання та яка її природа?
Цей матеріал створено за підтримки бренду YASNO, який постачає електроенергію більш як трьом мільйонам українців. Ми звикли, що електрика у розетках є завжди. Та обстріли енергетичної системи показали, що це не так. Проте завдяки зусиллям енергетиків українські домівки отримували струм навіть у найважчі часи. У цій серії подкастів разом з YASNO ми пояснюємо, як працює енергосистема України й чому без електроенергії неможливий сучасний світ.
Бенджамін Франклін був не лише одним із батьків-засновників США, а й талановитим і відважним винахідником. Завдяки його працям введене загальноприйняте позначення електрично заряджених станів «+» та «-», створений проєкт блискавкозахисту, електричного двигуна, вперше використана електрична іскра для займання пороху і здійснено чимало інших відкриттів.
У середині XVIII століття Франклін провів цілу низку небезпечних експериментів з блискавками, які допомогли зрозуміти електричну природу цього явища. Один із найвідоміших — запуск повітряного змія під час грози з металевим ключем, прив’язаним до його хвоста змоченою лляною ниткою. Коли блискавка вдарила в ключ, вчений зміг зафіксувати електричний розряд між електропровідною ниткою та землею. Цей експеримент підтвердив, що блискавки — це електричні розряди, які виникають через накопичення статичної електрики в атмосфері.
Електроенергія може траплятися в природі не лише як блискавки. Наприклад, електричний вугор вміє генерувати потужні електричні розряди — так він захищається від хижаків і здобуває їжу. До того ж зі школи нам відомий приклад електризації ебонітових паличок, потертих шерстяною сукенкою.
Після відкриття електричної природи блискавок науковці стали активно досліджувати явище електроенергії, і з розвитком техніки людство навчилося видобувати її з різних джерел: від генераторів на гідроелектростанціях до сучасних сонячних панелей. Однак все починалося з простих батарейок, які винайшов Алессандро Вольта в 1800 році. Вольта був італійським вченим, який відкрив електричний струм шляхом створення першого хімічного джерела струму — вольтового стовпчика. Він склав ряд оксидованих мідних та цинкових пластин, розділених солоними серветками. Цей простий пристрій став основою для багатьох наступних електричних джерел живлення, а на честь Алессандро названа одна з метричних одиниць вимірювання напруги — Вольт.
Що таке електроенергія
Електрична енергія виникає внаслідок напрямленого руху заряджених частинок — електронів або іонів. Електрони є найменшими негативно зарядженими частинками, які розташовані навколо позитивно зарядженого ядра атома, тоді як іони — це атоми або молекули, які втратили або отримали електрони й набули електричного заряду.
Електрична енергія легко передається на великі відстані за рахунок використання змінного струму та трансформаторів, які дозволяють збільшувати або зменшувати напругу цього струму. На електростанціях використовують трансформатори для збільшення напруги перед передачею електроенергії по високовольтних лініях. Висока напруга забезпечує менший опір, а отже, і менші втрати енергії через тепло, що утворюється в провідниках. Коли електроенергія доходить до споживача, інші трансформатори знижують напругу до безпечних рівнів для споживання в промисловості, комерції та в домівках.
У нас вдома електрична енергія може легко перетворюватися на інші види. Наприклад, світлову енергію отримуємо, коли струм проходить через лампочку розжарювання: електрони зіштовхуються з атомами вольфрамової нитки, змушуючи їх збуджуватися та випромінювати світло (наразі, втім, це не найбільш енергоефективне рішення). Електрична енергія стає тепловою, в електричних плитах або обігрівачах: вони використовують опір матеріалу, через який проходить струм. Коли струм проходить крізь нагрівальний елемент, електрони зіштовхуються з атомами, передаючи свою енергію та підвищуючи температуру матеріалу.
Електрична енергія може перетворюватися навіть на механічну: наприклад, коли електричні елементи змушують працювати ротор двигуна — його обертальну частину. Це досягається за допомогою магнітного поля, яке виникає, коли струм проходить через обмотки двигуна. Магнітне поле ротора взаємодіє з магнітами на статорі — нерухомій частині двигуна, — створюючи обертальний момент та рух.
AC/DC
Томас Едісон та Нікола Тесла були ключовими — і чи не найвідомішими — діячами у розвитку електроенергетики. Вони розробили різні методи передачі електричної енергії: Едісон пропагував постійний струм (DC), а Тесла — змінний (AC). І справді, системи на основі змінного струму виявилися більш ефективними та безпечними для передачі електроенергії на великі відстані. Адже, як ми вже знаємо, він легко конвертується за допомогою трансформаторів. З постійним струмом так не вдавалося.
Протистояння між Теслою та Едісоном, відоме як війна струмів, стало одним з найбільш драматичних епізодів у історії науки. Його огортають безліч міфів і сумнівних здогадок, а про війну струмів зняли з десяток документальних і художніх фільмів. Однак обидва вчені працювали над відкриттями, які зробили наш світ кращим. Вони довели, що електричний струм має польову природу (про неї — трішки далі) та може передаватися через електромагнітні поля, відкривши можливості для розвитку радіо, телебачення та бездротової передачі енергії. Саме «едісонів» постійний струм, наприклад, використовується в батарейках. Його часто застосовують в автомобілях: так працюють зокрема стартер, генератор, світло, радіо, системи охолодження й опалення машини. Навіть сонячні панелі перетворюють сонячне світло на постійний струм.
Натомість «теслів» змінний струм живить більшість побутових пристроїв — скажімо, холодильники чи телевізори. Йому ми завдячуємо освітленням та розеткам.
Є й пристрої, які спочатку працюють на змінному струмі з мережі, але мають вбудований перетворювач змінного струму на постійний. Наприклад, зарядні пристрої та адаптери живлення для мобільних телефонів і ноутбуків підключаються до мережі змінного струму й перетворюють його на постійний, бо саме він потрібен для заряджання акумуляторів, живлення принтерів, модемів тощо.
Польова природа електричного струму
Не варто вважати, що електричний струм подібний до води у водогоні. Хоча така аналогія допомагає краще сприймати дію деяких фізичних законів, проте його природа значно ширша, і струм виявляє також польові властивості.
Польова природа електричного струму полягає в тому, що він виникає та передається через взаємодію електричних і магнітних полів. Ці поля виникають внаслідок взаємодії заряджених частинок та їх руху в провіднику.
Коли заряджені частинки, зокрема електрони, рухаються у провіднику, вони створюють навколо себе електричне поле. Це поле впливає на інші заряджені частинки поблизу, притягуючи або відштовхуючи їх. Своєю чергою, рух заряджених частинок у провіднику спричиняє появу магнітного поля. Електричні та магнітні поля тісно пов’язані між собою і разом створюють електромагнітне поле, яке передає енергію від джерела струму до споживача.
Цікаво, що енергію передають самі поля, а не носії заряду. Тобто електрони лише допомагають створити поле, але не переносять енергію від джерела до споживача. Завдяки цьому швидкість передачі дорівнює швидкості світла.
Отже, коли носії заряду рухаються у провіднику, вони створюють навколо себе електромагнітне поле. Це поле може взаємодіяти з іншими зарядами або провідниками, передавати енергію на відстань і створювати струм в інших провідниках. Так передавання енергії може здійснюватися без фізичного контакту між джерелом та споживачем.
Завдяки польовій природі струму можливе явище електромагнітної індукції. Це створення електричного струму в провіднику завдяки зміні магнітного поля навколо нього. Його відкрив Майкл Фарадей у 1831 році, і воно стало основою для генерації та передачі електричної енергії в сучасному світі.
Електромагнітна індукція відбувається, коли магнітне поле, що оточує провідник, змінюється з часом. Зміна магнітного поля може виникати внаслідок руху магніта відносно провідника, руху провідника відносно магнітного поля або зміни інтенсивності магнітного поля навколо провідника. Коли магнітне поле змінюється, в провіднику виникає електрорушійна сила, яка змушує електрони рухатися і створює електричний струм.
Одним з найвідоміших прикладів електромагнітної індукції є генератор, який перетворює механічну енергію на електричну. У генераторі обертання магніта відносно провідника або провідника відносно магніта змушує магнітне поле змінюватися з часом, викликаючи електромагнітну індукцію та створення електричного струму. Так електромагнітна індукція дозволяє перетворити механічну енергію отриману з вітру, водоспадів або парових турбін, на електричну.
Електроенергія оточує нас скрізь. Ми так звикли до неї, що часто не помічаємо, наскільки ці здобутки поколінь учених інтегрувалися в наше життя. Проте вивчаючи природу й особливості цього явища, можна спростити своє життя і краще зрозуміти світ, у якому ми живемо.
