Предисловие.
Что же такоеэлектрический ток и что необходимо для его возникновения и существования втечение нужного нам времени?
Слово «ток» означаетдвижение или течение чего-то. Электричес-ким током называется упорядоченное(направленное) движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток впровод-нике, надо создать в нем электрическое поле. Чтобы электричес-кий ток впроводнике существовал длительное время, необходи-мо все это время поддерживатьв нем электрическое поле. Элек-трическое поле в проводниках создается и можетдлительное вре-мя поддерживаться источниками электрического тока.В настоя-щее время человечество использует четыре основные источника тока:статический, химический, механический и полупроводнико-вый(солнечные батареи), но во всяком из них совершается рабо-та по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются на полюсахисточни-ка тока, — так называют места, к которым с помощью клемм или зажимовподсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно,другой — отрицательно. Если полюсы соединить проводником, то поддействием поля свободные заря-женные частицы в проводнике будут двигаться,возникнет электрический ток.
Электрический ток.
Источники электрическоготока.
До 1650 года — времени, когда в Европе пробудился боль-шой интерес к электричеству, - небыло известно способа легко получать большие электрические заряды. С ростомчисла ученых, заинтересовавшихся исследованиями электричества, можно былоожидать создания все более простых и эффективных способов полученияэлектрических зарядов.
Отто фонГерике придумал первую электрическую машину. Он налил расплавленную серу внутрьполого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердела, разбил стекло, недогадываясь о том, что сам стеклянный шар с неменьшим успехом мог быпос-лужить его целям. Затем Герике укрепил серный шар так, как показанона рис.1, чтобы его можно было вращать рукояткой. Для получения заряданадо было одной рукой вращать шар, а другой — прижимать к нему кусок кожи.Трение поднимало потен-циал шара до величины, достаточной, чтобы получать искры длиной в несколько сантиметров.
Эта машинаоказала боль-
шую помощь вэксперименталь-
ном изучении электричества,но
еще более трудные задачи«хра-
нения» и «запасания» электри-
ческих зарядов удалосьрешить
лишь благодаря последующему
прогрессу физики. Дело в том, что мощные заряды, которые
можно было создавать нателах с помощью электростатической
машины Герике, быстроисчезали. Вначале думали, что причиной этого является «испарение» зарядов. Для предотвращения
«испарения» зарядов было предложено заключить заряженные тела в закрытые сосуды, сделанные изизолирующего материала. Естественно, в качестве таких сосудов были выбраныстеклянные бутылки, а в качестве электризуемого материала - вода, поскольку ее было легко наливать в бутылки. Чтобы можно было зарядить воду, не открывая бутылку, сквозь пробку был пропущен гвоздь. Замысел был хорош, но по причинам , в то время непонятным, прибор работал не столь уж удачно. Врезультате интенсивных экспериментов вскоре же было открыто, что запасенныйзаряд и тем самым силу электрического удара можно резко увеличить , если бутылку изнутри и снаружи покрыть проводящим материалом, например тонкимилистами фольги. Более того, если соединить гвоздь с помощью хорошего проводника со слоем металла внутри бутылки, то оказалось, что можно вообще обойтись безводы. Это новое «хранилище» электричества было изобретено в 1745 году в голландском городе Лейдене и получило название лейденской банки (рис.2 ).
Первый кто открыл иную возможность полу-чения электричества, не-жели с помощью электри-зациитрением, был италь-янский ученый Луиджи Гальвани (1737-1798). Он был поспециальности биолог, но работал в лаборатории, где прово-дились опыты с электричеством. Гальвани нблю-дал явление, которое было известно многимеще до него; оно заключалось в том, что если ножной нерв мертвой лягушки возбудить искрой от электрической машины, то начинала сокращатьсявся лапка. Но однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с нервом лапки соприкасался только стальной скальпель. Удивительнее всего было то, что между электрической машиной и скаль-пелем не былоникакого контакта. Это поразительное открытие заставило Гальвани поставитьряд опытов для обнаружения при-чины электрического тока. Один из экспериментовбыл поставлен Гальвани с целью выяснить, вызывает ли такие же движения в лапкеэлектричество молнии. Для этого Гальвани подвесил на латунных крючках нескольколягушачьих лапок в окне, закрытом железной решеткой. И он нашел, впротивоположность своим ожиданиям, что сокращения лапок происходят в любоевремя, вне всякой зависимости от состояния погоды. Присутствие рядом электрическоймашины или другого источника электричества оказалось не нужным. Гальваниустановил далее, что вместо железа и латуни можно использовать любые дваразнородных металла, причем комбинация меди и цинка вызывала явление в наиболееотчетливом виде. Стекло, резина, смола, камень и сухое дерево вообще не давалиникакого эффекта. Таким образом, возникновение тока все еще оставалось тайной.Где же появляется ток — только в тканях тела лягушки, только разнородныхметаллах или же в комбинации металлов и тканей? К сожалению, Гальвани пришел кзаключению, что ток возникает исключительно в тканях тела лягушки. Врезультате его современникам понятие «животного электричества» стало казатьсягораздо более реальным, чем электричества какого-либо другого происхождения.
Другойитальянский ученый Алессандро Вольта(1745-1827) окончательно доказал, что еслипоместить лягушачьи лапки в водные растворы некоторых веществ, то в тканяхлягушки гальванический ток не возникает. В частности, это имело место дляключевой или вообще чистой воды; этот ток появляется при добавлении к водекислот, солей или щелочей. По-видимому, наибольший ток возникал в комбинациимеди и цинка, помещенных в разбавленный раствор серной кислоты. Комбинация двухпластин из разнородных металлов, погруженных в водный раствор щелочи, кислотыили соли, называется гальваническим (или химическим) элементом.
Если бысредствами для получения электродвижущей силы служили только трение ихимические процессы в гальванических элементах, то стоимость электрическойэнергии, необходимой для работы различных машин, была бы исключительно высокой.В результате огромного количества экспериментов учёными разных стран былисделаны открытия, позволившие создать механические электрические машины,вырабатывающие относительно дешёвую электроэнергию.
В начале 19века Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрическогоявления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокругнего образуется магнитное поле. Спустя несколько лет, в 1831 году, Фарадейсделал ещё одно открытие, равное по своей значимости открытию Эрстеда. Фарадейобнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитногополя, в проводнике наводится электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, вкоторую входит этот проводник. Наведённая ЭДС меняется прямо пропорциональноскорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля.Иначе говоря, наведённая ЭДС прямо пропорциональна числу силовых линий,пересекаемых проводником в единицу времени. Когда проводник пересекает100000000 силовых линий за 1 сек, наведённая ЭДС равна 1 Вольту. Перемещаявручную одиночный проводник или проволочную катушку в магнитном поле, большихтоков получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода набольшую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затемнасаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой водыили пара. Так, в сущности, и устроен генератор электрического тока, которыйотносится к механическим источникам электрического тока, и активно используетсячеловечеством в настоящее время.
Солнечную энергию люди используют с древнейших времён. Ещё в 212 г. до н.э. с помощью концентрированных солнечных лучей они зажигали священный огонь ухрамов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий учёный Архимедпри защите родного города поджёг паруса кораблей римского флота.
Солнцепредставляет собой удалённый от Земли на расстояние 149,6 млн км термоядерныйреактор, излучающий энергию, которая поступает на Землю главным образом в видеэлектромагнитного излучения. Наибольшая часть энергии излучения Солнцасосредоточена в видимой и инфракрасной части спектра. Солнечная радиация — этонеисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Без ущербадля экологической среды может быть использовано 1,5 % всей падающей на землюсолнечной энергии, т.е. 1,62 *10 16 киловатт\часов в год, чтоэквивалентно огромному количеству условного топлива — 2 *10 12 т.
Усилия конструкторов идутпо пути использования фотоэлементов для прямого преобразования солнечнойэнергии в электрическую. Фотопреобразователи, называемые также солнечнымибатареями, состоят из ряда фотоэлементов, соединенных последовательно илипараллельно. Если преобразователь должен заряжать аккумулятор, питающий,например, радиоустройство в облачное время, то его подключают параллельно квыводам солнечной батареи ( рис. 3). Элементы применяемые в солнечных батареях,должны обладать большим КПД, выгодной спектральной характеристикой, малойстоимостью, простой конструкцией и небольшой массой. К сожалению, тольконемногие из известных на сегодня фотоэлементов отвечают хотя бы частично этимтребованиям. Это прежде всего некоторые виды полупроводниковых фотоэлементов.Простейший из них — селеновый. К сожалению, КПД лучших селеновых фотоэлементовмал(0,1...1 %).
Основой солнечных батарейявляются кремниевые фото-преобразователи, имеющие вид круглых илипрямоуголь-ных пластин толщиной 0,7 — 1 мм и площадью до 5 — 8 кв.см. Опытпоказал, что хорошие результаты дают небольшие элементы, площадью около 1 кв.см., имеющие КПД около 10 %. Созданы также фотоэлементы из полупро- водниковыхметаллов с теоретическим КПД 18 %. Кстати, практический КПД фотоэлектрическихпреобразователей ( около 10 %) превышает КПД паровоза ( 8 %), коэффициентполезного использования солнечной энергии в растительном мире (1 %), а такжеКПД многих гидротехнических и ветровых устройств. Фотоэлектрическиепреобразователи имеют практически неограниченную долговечность. Для сравненияможно привести значения КПД различных источников электрической энергии ( впроцентах): теплоэлектроцентраль — 20-30, термоэлектрический преобра-зователь- 6 — 8, селеновый фотоэлемент — 0,1 — 1, солнечная бата-рея — 6 — 11, топливный элемент — 70, свинцовый аккумулятор — 80 — 90.
В 1989 г. фирмойБоинг (США) создан двухслойный фотоэлемент, состоящий из двух полупроводников- арсенида и антимонида галлия — с коэффициентом преобразования солнечнойэнергии в электрическую, равным 37 %, что вполне сопоставимо с КПД современныхтепловых и атомных электростанций. Недавно удалось доказать, чтофотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии теоретически позволяетиспользовать энергию Солнца с КПД, достигающим 93 %! А ведь первоначальносчиталось, что максимальный верхний предел КПД солнечных элементов составляетне более 26 %, т.е. значительно ниже КПД высокотемпературных тепловых машин.
Солнечныебатареи пока используются в основном в кос-мосе, а на Земле только дляэлектроснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питаниярадионавигационной
и маломощнойрадиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей исамолётов. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находитьприменение в жилых домах для автономного энергоснабжения, т.е. отопления игорячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения ипитания бытовых электроприборов.