Що ж таке електричний струм і що необхідно для його виникнення і існування протягом потрібного нам часу?
Слово «струм» означає рух або протягом чогось. Електричні-струмом називається впорядкована (спрямований) рух заряджених частинок. Щоб отримати електричний струм у провід-ніку, треба створити в ньому електричне поле. Щоб електричні-кий струм в провіднику існував тривалий час, необхід-мо весь цей час підтримувати в ньому електричне поле. Елек-тричних поле в провідниках створюється і може тривалий вре-ма підтримуватися джерелами електричного струму. У настою-ний час людство використовує чотири основні джерела струму: статичний, хімічний, механічний і напівпровідников-вий (сонячні батареї), але у всякому з них відбувається рабо-та з розділення позитивно і негативно заряджених частинок. Роздільні частки накопичуються на полюсах источни-ка струму, - так називають місця, до яких за допомогою клем або затискачів приєднують провідники. Один полюс джерела струму заряджається позитивно, інший - негативно. Якщо полюси з'єднати провідником, то під дією поля вільні зоря-женние частки в провіднику будуть рухатися, виникне елек-тричних струм.
Джерела електричного струму.
До 1650 року - часу, коли в Європі пробудився біль-шою інтерес до електрики, - не було відомо способу легко отримувати великі електричні заряди. З ростом числа вчених, які зацікавилися дослідженнями електрики, можна було очікувати створення все більш простих і ефективних способів отримання електричних зарядів.
Отто фон Геріке придумав першу електричну машину. Він налив розплавлену сірку всередину порожнього скляного кулі, а потім, коли сірка затверділа, розбив скло, не здогадуючись про те, що сам скляну кулю з неменшим успіхом міг би пос-лужіть його цілям. Потім Геріке зміцнив сірчаний куля так, як показано на рис.1, щоб його можна було обертати рукояткою. Для отримання заряду треба було однією рукою обертати куля, а інший - притискати до нього шматок шкіри. Тертя піднімало потен-циал кулі до величини, достатньої, щоб отримувати іскри довжиною в кілька сантиметрів.
Ця машина зробила біль-
шую допомогу в експериментальних
ном вивченні електрики, але
ще більш важкі завдання «хра-
нання »і« запасання »електричним
чеських зарядів вдалося вирішити
лише завдяки подальшому
прогресу фізики. Справа в тому. що потужні заряди, які
можна було створювати на тілах за допомогою електростатичного
машини Геріке, швидко зникали. Спочатку думали, що причиною цього є «випаровування» зарядів. Для запобігання
«Випаровування» зарядів було запропоновано укласти заряджені тіла в закриті посудини, зроблені з ізолюючого матеріалу. Природно, в якості таких судин були обрані скляні пляшки, а в якості електрізуемость матеріалу - вода, оскільки її було легко наливати в пляшки. Щоб можна було зарядити воду. не відкриваючи пляшку, крізь пробку був пропущений цвях. Задум був хороший, але з наступних підстав. в той час незрозумілим, прилад працював не настільки вже вдало. В результаті інтенсивних експериментів незабаром ж було відкрито, що запа-сенний заряд і тим самим силу електричного удару можна різко збільшити. якщо пляшку зсередини і зовні покрити провідним матеріалом, наприклад тонкими листами фольги. Більш того, якщо з'єднати цвях за допомогою хорошого про-водника з шаром металу всередині пляшки, то виявилося, що можна взагалі обійтися без води. Це нове «сховище» електрики було винайдено в 1745 році в голландському го-роді Лейдені і отримало назву лейденської банки (рис.2).
Перший хто від-крив іншу можливість напів-чення електрики, не-Желі за допомогою елек-три-зації тертям, був Італії-янський вчений Луїджі Гальвані (1737-1798). Він був за фахом біолог, але ра-ботан в лабораторії, де прово-сідали досліди з електрикою. Галь-вані нблю-дав явище, яке було відомо багатьом ще до нього; воно полягало в тому, що якщо ножний нерв мертвої жаби порушити іскрою від електричної машини, то починала скорочуватися вся лапка. Але одного разу Гальвані зауважив, що лапка прийшла в рух, коли з нервом лапки стикався тільки сталевий скальпель. Найдивніше було те. що між електричної машиною і скаль-Пелем не було ніякого контакту. Це вражаюче відкриття змусило Гальвані поставити ряд дослідів для виявлення при-чини електричного струму. Один з експериментів був поставлений Гальвані з метою з'ясувати, чи викликає такі ж рухи в лапці електрику блискавки. Для цього Гальвані підвісив на латунних гачках кілька жаб'ячих лапок у вікні, закритому залізними гратами. І він знайшов, на противагу своїм очікуванням, що скорочення лапок відбуваються в будь-який час, поза всякою залежністю від стану погоди. Присутність поруч електричної машини або іншого джерела електрики виявилося не потрібним. Гальвані встановив далі, що замість заліза і латуні можна використовувати будь-які два різнорідних металу, причому комбінація міді і цинку викликала явище в найбільш виразно вигляді. Скло, гума, смола, камінь і сухе дерево взагалі не давали ніякого ефекту. Таким чином, виникнення струму все ще залишалося таємницею. Де ж з'являється струм - тільки в тканинах тіла жаби, тільки різнорідних металах або ж в комбінації металів і тканин? На жаль, Гальвані прийшов до висновку. що струм виникає виключно в тканинах тіла жаби. В результаті його сучасникам поняття «тваринної електрики» стало здаватися набагато більш реальним, ніж електрики будь-якого іншого походження.
Інший італійський вчений Алессандро Вольта (1745-1827) остаточно довів, що якщо помістити жаб'ячі лапки у водні розчини деяких речовин, то в тканинах жаби гальванічний струм не виникає. Зокрема, це мало місце для ключової або взагалі чистої води; цей струм з'являється при додаванні до води кислот, солей або лугів. Мабуть, найбільший струм виникав у комбінації міді і цинку, поміщених в розбавлений розчин сірчаної кислоти. Комбінація двох пластин з різнорідних металів, занурених у водний розчин лугу, кислоти або солі, називається гальванічним (або хімічним) елементом.
Якби засобами для отримання електрорушійної сили служили тільки тертя і хімічні процеси в гальванічних елементах, то вартість електричної енергії, необхідної для роботи різних машин, була б виключно високою. В результаті величезної кількості експериментів вченими різних країн були зроблені відкриття, що дозволили створити механічні електричні машини, виробляють відносно дешеву електроенергію.
На початку 19 століття Ганс Християн Ерстед зробив відкриття абсолютно нового електричного явища, що полягав в тому, що при проходженні струму через провідник навколо нього утворюється магнітне поле. Через кілька років, в 1831 році, Фарадей зробив ще одне відкриття, рівне за своєю значимістю відкриття Ерстеда. Фарадей виявив, що коли рухається провідник перетинає силові лінії магнітного поля, в провіднику наводиться електрорушійна сила, що викликає струм в ланцюзі, в яку входить цей провідник. Наведена ЕРС змінюється прямо пропорційно швидкості руху, числу провідників, а також напруженості магнітного поля. Інакше кажучи, наведена ЕРС прямо пропорційна числу силових ліній, що перетинаються провідником в одиницю часу. Коли провідник перетинає 100000000 силових ліній за 1 сек, наведена ЕРС дорівнює 1 Вольту. Переміщаючи вручну одиночний провідник або дротяну котушку в магнітному полі, великих струмів отримати не можна. Більш ефективним способом є намотування проводу на велику котушку або виготовлення котушки у вигляді барабана. Котушку потім насаджують на вал, наявний між полюсами магніту і обертається силою води або пари. Так, по суті, і влаштований генератор електричного струму, який відноситься до механічних джерел електричного струму, і активно використовується людством в даний час.
Сонячну енергію люди використовують з найдавніших часів. Ще в 212 р. До н.е. е. за допомогою концентрованих сонячних променів вони запалювали священний вогонь біля храмів. Згідно з легендою приблизно в той же час грецький вчений Архімед при захисті рідного міста підпалив вітрила кораблів римського флоту.
Сонце являє собою віддалений від Землі на відстань 149,6 млн км термоядерний реактор, який випромінює енергію, яка надходить на Землю головним чином у вигляді електромагнітного випромінювання. Найбільша частина енергії випромінювання Сонця зосереджена у видимій та інфрачервоній частині спектра. Сонячна радіація - це невичерпне поновлюване джерело екологічно чистої енергії. Без шкоди для екологічного середовища може бути використано 1,5% всієї падаючої на землю сонячної енергії, тобто 1,62 * 10 16 кіловат \ годин на рік, що еквівалентно величезній кількості умовного палива - 2 * 10 12 т.
Зусилля конструкторів йдуть шляхом використання фотоелементів для прямого перетворення сонячної енергії в електричну. Фотоперетворювачі, звані також сонячними батареями, складаються з ряду фотоелементів, з'єднаних послідовно або паралельно. Якщо перетворювач повинен заряджати акумулятор, що живить, наприклад, радіопристрій в хмарне час, то його підключають паралельно до висновків сонячної батареї (рис. 3). Елементи застосовуються в сонячних батареях, повинні володіти більшим ККД, вигідної спектральної характеристикою, малою вартістю, простою конструкцією і невеликою масою. На жаль, лише деякі з відомих на сьогодні фотоелементів відповідають хоча б частково цим вимогам. Це перш за все деякі види напівпровідникових фотоелементів. Найпростіший з них - селеновий. На жаль, ККД кращих селенових фотоелементів малий (0,1. 1%).
Основою сонячних батарей є кремнієві фото-перетворювачі, які мають вигляд круглих або прямоуголь-них пластин товщиною 0,7 - 1 мм і площею до 5 - 8 кв.см. Досвід показав, що хороші результати дають невеликі елементи, площею близько 1 кв. см. мають ККД близько 10%. Створено також фотоелементи з полупро- Водніково металів з теоретичним ККД 18%. До речі, практичний ККД фотоелектричних перетворювачів (близько 10%) перевищує ККД паровоза (8%), коефіцієнт корисного використання сонячної енергії в рослинному світі (1%), а також ККД багатьох гідротехнічних і вітрових пристроїв. Фотоелектричні перетворювачі мають практично необмежену довговічність. Для порівняння можна навести значення ККД різних джерел електричної енергії (у відсотках). теплоелектроцентраль - 20-30, термоелектричний перетворень-зователь - 6 - 8, селеновий фотоелемент - 0,1 - 1, сонячна бата-реї - 6 - 11, паливний елемент - 70, свинцевий акумулятор - 80 - 90.
У 1989 р фірмою Боїнг (США) створено двошаровий фотоелемент, що складається з двох напівпровідників - арсеніду і антімоніда галію - з коефіцієнтом перетворення сонячної енергії в електричну, рівним 37%, що цілком можна порівняти з ККД сучасних теплових і атомних електростанцій. Нещодавно вдалося довести, що фотоелектричний метод перетворення сонячної енергії теоретично дозволяє використовувати енергію Сонця з ККД, що досягає 93%! Але ж спочатку вважалося, що максимальний верхню межу ККД сонячних елементів складає не більше 26%, тобто значно нижче ККД високотемпературних теплових машин.
Сонячні батареї поки що використовуються в основному в кос-Космос, а на Землі тільки для електропостачання автономних споживачів потужністю до 1 кВт, харчування радіонавігаційної
і малопотужної радіоелектронної апаратури, приводу експериментальних електромобілів і літаків. У міру вдосконалення сонячних батарей вони будуть знаходити застосування в житлових будинках для автономного енергопостачання. тобто опалення та гарячого водопостачання, а також для вироблення електроенергії для освітлення і живлення побутових електроприладів.