Енергія електрики

У попередньому розділі ми вивчали механічну форму енергії, пов’язану з рухом тел. Відомо, що існує форма енергії, пов’язана з переміщенням невидимих ​​заряджених частинок. Це вірно, що електрони неможливо побачити. Зате електричний струм можна виміряти. У даному розділі ми розглянемо, як електричне поле приводить в рух заряджені частинки і чи можна отримати з цього користь.
Слід визнати, що пояснити електричні явища важче, ніж дія гравітації. Минуло майже двісті років після відкриття Ньютоном закону всесвітнього тяжіння, перш ніж Герц завершив теорію електромагнетизму, закладену Максвеллом. У результаті з’ясувалося наступне. По-перше, електричне поле в мільярди мільярдів разів сильніше тяжіння. Саме електричні поля утримують заряджені частинки разом, забезпечуючи стабільність форми тел. Вплив гравітації тут можна навіть не враховувати. Судіть самі: кожен школяр може підняти гантель вагою 30 Н. Але розірвати цей шматок заліза не в силах вся олімпійська збірна по штанзі.
До того ж, заряджені частинки, джерела електричних полів, можуть не тільки притягатися, але і відштовхуватися.
Отже, існують два види електричних полів.
Відомо, що речовина містить два сорти найдрібніших заряджених частинок, дія яких полярно протилежно. Ці елементарні частинки були названі електронами і протонами. Більше ста років тому вчені домовилися вважати заряд протона позитивним, а електрона – негативним. Краще б навпаки. По-перше, роботу в електричних мережах виробляють саме електрони. Було б зручніше, якщо в рівняннях електромеханіки електрон мав знак плюс. По-друге, в атомі потенційна енергія електронів негативна, адже їх утримують протони ядра. Було б справедливіше приписати знак “мінус” протону. На жаль, електрон був відкритий вже після визнання теорії електромагнетизму. Нагадаємо, електрон відштовхується від електрона, але притягається до протона. Протон відштовхується від протона, але притягується до електрона.
Так як за абсолютною величиною заряд електрона дорівнює заряду протона, а в нормальних умовах їх кількість в тілі однаково, сумарне поле всіх електронів нейтралізує сумарне поле всіх протонів. Тому тіла зовні електрично нейтральні. Але коли за рахунок механічної роботи, наприклад, при терті, на тіло перескакує хоча б мала частина електронів, заряд протонів вже не в силах компенсувати заряд нових електронів і навколо тіла відчувається електричне поле. Сила його така велика, що, знімаючи светр, можна чути, а в темряві навіть бачити електричні іскри, часом дуже неприємні. Це електрони, які переселилися на тіло, пробивають повітря, перескакуючи назад під впливом тяжіння залишилися надлишкових протонів.
Роль електрики переоцінити неможливо. Все наше обладнання влаштовано так, щоб перетворювати електричну енергію в роботу. Цей вибір пояснюється тим, що електричне поле можна майже миттєво передати від джерела до споживача. Для цього електрообладнання з’єднують проводами з електростанцією, де електричні генератори виробляють електроенергію. Електричне поле концентрується в проводах і практично без втрат доставляється до споживача. Це виявилося настільки зручним, що навіть якщо енергія десь виходить у вигляді тепла від спалювання палива або від ядерних реакцій, її спочатку перетворять в електроенергію, а вже потім розподіляють по проводах, які закільцьовані в єдину міжрегіональну енергомережу. Коли житель Вологди включає люстру, можливо, він споживає електроенергію, вироблену на атомній електростанції в Сосновому Бору, або на Среднеуральской теплової електростанції, або на Красноярської гідроелектростанції. Єдина енергомережу потрібна для рівномірного розподілу електроенергії по всій країні. Уявіть мегаполіс Санкт-Петербург, в якому мільйон домогосподарок зимовим ранком вмикає світло, пилосос і телевізор. Якщо місто було б підключений тільки до однієї електростанції, ніякої мирний атом не витримав би такого навантаження. Зауважимо, в Омську в цей час пилососи вже вимкнені, тому що настав обід, в Хабаровську вечеряють, а в Анадирі хто-хто вже ліг спати. Значить, надлишок незатребуваною на сході країни електроенергії можна перекинути майже зі швидкістю світла на захід і уникнути перевантаження в мережі. Слід підкреслити, що зі швидкістю світла переміщається тільки електричне поле. Середня швидкість електронів в проводах складає долі міліметра в секунду. Так що протягом доби, а то і всього робочого тижня, у кожному регіоні трудяться “свої” електрони. Ці місцеві трудяги виконують величезну роботу під дією електричного поля єдиної енергомережі.
Виникає питання, як дроти передають електричне поле, якщо в нормальному стані вони електрично нейтральні? Справа в тому, що дроти виготовляють з металів, в яких є велика кількість вільних електронів. Наприклад, в міді, сріблі і золоті на кожен атом речовини припадає один вільний електрон. Це величезна величина, враховуючи кількість атомів в одному кубічному сантиметрі (порядку 1022). У відсутність зовнішнього поля вільні електрони хаотично носяться між ядрами речовини. Але якщо до дроту прикласти електричне поле, вільні електрони кинуться назустріч полю, перетворюючи енергію поля в роботу. Впорядковане переміщення електронів у речовині називають електричним струмом, або просто струмом. Це ток обертає електромотор в пилососі, кип’ятить воду в електрочайнику, змушує блискати вогнями новорічну ялинку, загалом, виробляє роботу.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (1 votes, average: 5.00 out of 5)

Енергія електрики