Наша сеть партнеров Banwar
Опубліковано 27.02.2016 11:48 Автор: Abramova Olesya
Одним з найбільш значущих і дивовижних досягнень людства за останні 400 років можна назвати розвиток науки про електрику. Ви можете запитати: «Електрика є людству цілих 400 років?». Відповідь буде - навіть більше. Тільки ось корисні якості цього явища, які можна застосовувати в повсякденному житті, стали доступні лише в другій половині 1800-х, та й то в дуже обмеженому вигляді. Одним з найбільш ранніх подій, що привернув масову увагу, було застосування електрики для освітлення Всесвітньої Колумбовой виставки 1893 роки (використовувалося 250 000 електричних ламп) і для ілюмінації моста через Сену протягом Всесвітньої виставки в Парижі в 1900 році.
Але історія знаходить свідчення використання електрики людьми навіть ще раніше. У 1936 році, при будівництві залізниці, робочі виявили древній артефакт, який виявився доісторичної батарейкою, також відомої як Багдадська батарея. Об'єкт відноситься до парфянському періоду, і його вік становить близько 2000 років. Батарея складалася з глиняного посуду, заповненого оцтовим розчином, в який містився мідний циліндр із залізним прутом посередині. Це пристрій могло забезпечувати напругу від 1.1 до 2.0 вольт. На малюнку 1 зображена Багдадська батарея.
Малюнок 1: Багдадська батарея. Глиняний посуд доісторичної батареї містить залізний прут, оточений мідним циліндром. При заповненні оцтом або розчином електроліту посудину виробляв напруга від 1.1 до 2.0 вольт.
Але не всі вчені згодні з тим, що Багдадська батарея була джерелом електроенергії. Можливо, це пристрій використовувався для гальванопокриття, наприклад, для нанесення шару золота або іншого дорогоцінного металу на певну поверхню. Кажуть, що єгиптяни уміли наносити шар сурми на мідь за допомогою гальванізації ще 4300 років тому. Археологічні дані також свідчать про те, що ще в Стародавньому Вавілоні вперше була відкрита і застосована техніка гальванізації для виготовлення ювелірних прикрас, яка використовувала в якості електроліту виноградний сік. Парфяне, які правили Багдадом (близько 250 до н. Е.), Можливо, могли використовувати ці "батареї" для електролізу срібла.
Одні з найбільш ранніх способів генерації електрики в більш сучасний час були електростатичні експерименти. У 1660 Отто фон Геріке створив електростатичну машину у вигляді насадженого на металевий стрижень сірчаного кулі, який, якщо його потерти або розкрутити, притягував пір'я і маленькі шматочки паперу. Також фон Геріке вдалося довести, що отримані в ході експериментів іскри мають електричну природу.
У 1744 році Евальд Юрген фон Клейст розробив "лейденську банку", яка зберігала статичний заряд в скляній посудині, обклеєному всередині і зовні металевою фольгою, яка виступала в ролі електрода. По суті "лейденська банку" була прообразом сучасного конденсатора. В ті часи вчені, і в їх числі Пітер ван Мушенбрук, який незалежно від фон Клейста проводив подібні експерименти, припускали, що електрику є плинним речовиною, і його можна "накопичити" в посудині. Але ці припущення про природу електрики не були вірні, і вченим в процесі пізнання електрики доводилося стикатися з багатьма труднощами.
Першим практичним використанням статичної електрики став "електричний пістолет", який винайшов Алессандро Вольта (1745-1827). Він думав про розробку системи для дистанційного зв'язку, яка могла б використовувати одне логічне стан. Передбачалося, що залізний дріт, підтримувана дерев'яними опорами, буде протягнута від містечка Комо до Мілану, що в Італії. На приймаючій стороні кінець дроту повинен був знаходитися в посудині з метаном. Щоб сигналізувати про якийсь подію, по дроті посилався електричний розряд, метою якого була детонація газу. Але ця конструкція, на жаль, так і не була побудована. Малюнок 2 демонструє олівцеві зображення Алессандро Вольта.
Малюнок 2: Алессандро Вольта, винахідник електричної батареї.
"Відкриття Вольта розкладання води електричним струмом заклали основи електрохімії. Courtesy of Cadex "
У 1791 році, працюючи в університеті Болоньї, Луїджі Гальвані виявив, що м'язи жаби скорочуються при дотику до них металевого об'єкта. Це явище стало відомо як "тварина електрику". Рухомий результатами цих експериментів, Вольта ініціював нову серію досліджень, включивши туди цинк, свинець, олово і залізо в якості позитивних електродів (катод) і мідь, срібло, золото, графіт в якості негативних (анод). Інтерес до гальванічного електрики став широко розповсюджуватися.
У 1800 році Вольта виявив, що певні рідини можуть генерувати безперервний потік електричного струму, коли вони використовуються як середовище для занурення електродів. Це відкриття привело до винаходу першого гальванічного елемента, більш відомого під назвою електрична батарея. Вольта також виявив, що напруга можна збільшити, якщо послідовно з'єднати кілька гальванічних елементів. Малюнок 3 демонструє таке з'єднання.
Срібло (А) і цинк (Z) занурені в чашки, заповнені електролітом, і з'єднані послідовно.
Послідовно з'єднані електроди з срібла і цинку, розділені папером, просоченою електролітом.
Малюнок 3: Експерименти Вольта з електричними батареями в 1796 році.
Метали в батареї мають різне спорідненість до електрону. Вольта зауважив, що чим сильніше відрізняється значення спорідненості до електрону у металів, використовуваних як матеріал для електрода, тим сильніше стає і потенціал напруги між ними. Перше значення в таке списку демонструє спорідненість до залучення електронів, друге - ступінь окислення.
- Цинк = 1.6 / -0.76 V
- Свинець = 1.9 / -0.13 V
- Олово = 1.8 / -1.07 V
- Залізо = 1.8 / -0.04 V
- Мідь = 1.9 / 0.159 V
- Срібло = 1.9 / 1.98 V
- Золото = 2.4 / 1.83 V
- Графіт = 2.5 / 0.13 V
Метали визначали напругу батареї; вони були розділені вологим папером, змоченою в солоній воді.
У тому ж році Вольта представив сконструйований ним джерело безперервного електричного струму Лондонському королівському суспільству. Експерименти в області електрики більше не були обмежені моментальним розрядом джерела електростатичного струму. Нескінченний потік електричного струму став можливий.
Франція стала однією з перших країн, де відкриття Алессандро Вольта отримали офіційне визнання. Це було в той час, коли наука у Франції підтримувалася на найвищому політичному рівні і нові ідеї зустрічалися з розпростертими обіймами. Будучи офіційно запрошеним, Вольта виступив в Інституті Франції з серією лекцій, на яких був присутній і Наполеон Бонапарт (дивіться малюнок 4).
Малюнок 4: Експерименти Вольта в Інституті Франції.
Відкриття Вольта настільки вразили світ, що в листопаді 1800 року він був запрошений Французьким Національним Інститутом прочитати ряд лекцій, на яких був присутній Наполеон Бонапарт. Наполеон навіть виступив у ролі помічника при демонстрації таких явищ як іскровий розряд, плавлення сталевого дроту, розрядження "електричного пістолета" і розкладання води на елементи.
У 1800 році сер Гемфрі Деві, винахідник вибухобезпечної шахтної лампи, почав вивчати хімічні ефекти електрики і з'ясував, що, проходячи через речовину, електричний струм викликає його розкладання. Цей процес згодом був названий електролізом.
Він зробив безліч нових відкриттів за допомогою зібраної ним найбільшої і найпотужнішої на той момент електричної батареї, яка зберігалася в запасниках Королівського інституту в Лондоні. Підключення до батареї вугільного електрода породило перший в історії електричне світло. Очевидці повідомляли, що його вугільна дугова лампа виробляла «найвидатнішу висхідну арку світла з коли-небудь бачених».
У 1802 році Вільям Крюйкшенк створив електричну батарею, придатну для масового виробництва. Крюйкшенк розташував у довгій прямокутної коробці спаяні між собою квадратні листи міді і цинку однакового розміру. Прорізи в стінах ящика утримували металеві листи в потрібному положенні. Потім ящик заповнювався електролітом - морською водою чи розведеною кислотою. Ця конструкція вже була схожа на сучасну батарею. На малюнку 5 показана майстерня Крюйкшенка з виробництва батарей.
Малюнок 5: Крюйкшенк і його перша батарея.
Вільям Крюйкшенк, англійський хімік, сконструював гальванічний елемент шляхом з'єднання мідних і цинкових пластин в дерев'яній коробці, заповненої електролітом.
У 1836 році Джон Ф. Даніель, англійський хімік, розробив вдосконалену модель батареї, яка генерувала більш стійкий струм, ніж ранні пристрої. До цього часу всі електричні батареї були первинними, тобто їх не можна було зарядити. Але в 1859 році французький фізик Гастон Планте винайшов першу акумуляторну батарею. Вона була заснована на свинцево-кислотного системі, яка використовується і до цього дня.
У 1899 році Вальдмар Юнгнер зі Швеції винайшов нікель-кадмієвий акумулятор (NiCd) , В якому нікель використовувався для позитивного електрода (катод), і кадмій для негативного (анод). Але висока собівартість в порівнянні з свинцево-кислотних акумулятором помітно обмежила його використання.
Два роки по тому Томас Едісон розробив альтернативну конструкцію акумулятора, замінивши кадмій залізом. Але низька питома енергія, слабка продуктивність при низьких температурах і високі показники саморазряда обмежили успіх нікель-залізних акумуляторів. Так було до 1932 року, коли німецькі вчені Шлехт і Аккерман змогли досягти більш високого показника струму навантаження, а також помітно збільшили тривалість терміну експлуатації NiCd акумулятора, використовуючи технологію пресування пластин. У 1947 році французькому вченому Нойману вдалося сконструювати герметичний NiCd акумулятор.
Протягом багатьох років нікель-кадмієві акумулятори були єдино можливими акумуляторами для портативних пристроїв. У 1990-х екологів стали турбувати факти забруднення навколишнього середовища, спричинені неправильним утилізацією NiCd акумуляторів; в зв'язку з цим виробники стали переходити на більш екологічно чисті нікель-металгідридні (NiMH) батареї. Незабаром також з'явилася літій-іонна технологія, яка стала тіснити нікелеві батареї.
Більшість науково-дослідних зусиль сьогодні спрямовані на розвиток саме літій-іонної технології. Ця технологія зараз використовується для виробництва акумуляторів не тільки для мобільних телефонів, ноутбуків, фототехніки, електроінструменту і медичного обладнання, але також і для електромобілів і супутників. Літій-іонний акумулятор має ряд переваг, таких як висока питома енергія, простий процес заряджання, низькі експлуатаційні витрати і екологічна безпека.
3. Електрика допомогою магнетизму
Ідеї про отримання електрики за допомогою магнетизму прийшли порівняно пізно. У 1820 році Андре-Марі Ампер (1775 1836) зауважив, що дроти, по яких протікає електричний струм, часом можуть взаємно притягатися або навпаки - відштовхуватися. У 1831 році Майкл Фарадей дослідним шляхом продемонстрував, що мідний диск, якщо обертати його в сильному магнітному полі, генерує постійний потік електричного струму. Фарадею, який допомагає Гемфрі Деві в його дослідженнях, вдалося створити джерело електричної сили, який був не вичерпується при забезпеченні руху котушки в магніті. Це призвело до винаходу електричного генератора, а також, відповідно, і електродвигуна, коли процес спрямований у протилежний бік.
Незабаром після цього були розроблені трансформатори, які могли змінювати показник напруги змінного струму. У 1833 році Фарадей заклав основи електродинаміки, які зобразив у вигляді закону про електромагнітної індукції. Цей закон, названий на честь його автора, описує явища електромагнетизму в трансформаторах, котушках індуктивності, генераторах і електродвигунах.
Після того, як зв'язок електрики і магнетизму стала ясна, були побудовані великі генератори для отримання постійного електричного струму. Це сприяло поширенню електродвигунів, які забезпечували механічний рух, і лампочок Едісона, які успішно справлялися із завданням освітлення.
Перші електростанції генерували постійний струм, який неможливо було доставити більш ніж на 3 км. У 1880-му році Ніагарська Енергетична кампанія запропонувала 100 000 $ тому, хто придумає спосіб передачі електроенергії на великі відстані. Приз в кінцевому підсумку дістався Миколі Тесла (1856-1943), хорватському емігрантові, який створив систему передачі змінного струму.
Системи для передачі постійного струму працювали на низькій напрузі і вимагали масивних проводів; напруга же змінного легко могло бути перетворено в більш високе для транспортування по звичайних дротах, а потім також легко відновлено. Старше покоління вчених підтримувало постійний струм, тоді як молоді тяжіли до змінного. Томас Едісон був категорично проти змінного струму, вказуючи на небезпеку останнього при ураженні електрострумом.
Змінний струм ставав все більш популярним і Джордж Вестінгауз, американський інженер і промисловець, вирішив реалізувати багатофазну систему Тесла на Ніагарському електростанції. Між Вестінгаузом і Едісоном спалахнула так звана "війна струмів".
Малюнок 6: Нікола Тесла (1856-1943)
У 1883 році Вестінгауз створив систему освітлення для Ніагара Фолс, що використовує змінний струм, а в 1893 році запалилося електричне освітлення Всесвітньої Колумбовой виставки в Чикаго, що викликало непідробне загальне здивування. Потім Вестінгауз побудував три великих генератора для перетворення енергії Ніагарського водоспаду в електрику. Трифазна технологія, розроблена Тесла, дозволяла передавати електроенергію на великі відстані значно дешевше. Завдяки цьому електрику набуло широкого поширення, надаючи благотворний вплив на тодішнє якість життя.
Малюнок 7: 250 000 електроламп висвітлюють Світової Колумбово Виставку в Чикаго, 1893 рік.
Успішність електричного освітлення привела до необхідності побудови трьох великих генераторів на Ніагарському водоспаді. Courtesy of the Brooklyn Museum Archives. Goodyear Archival Collection
Варто відзначити найважливіший вплив науки про електриці на багато процесів, що відбувалися в тогочасній життя. Саме електрику вдихнуло життя в розвиток телеграфу. В середині 1800-х телеграф відкрив новий рід діяльності для здібної молоді. Персонал, керуючий їм, приходив з зростаючого середнього класу, був далекий від фабрик і шахт, що можуть призвести небезпечним і невдячною працею. Сталевий магнат і філантроп Ендрю Карнегі часто згадував свої молоді роки, коли він працював телеграфістом, також і Альфред Хічкок перед тим як прославитися в кіноіндустрії, був технічним оцінювачем стану електричних проводів і кабелів в телеграфної компанії.
Винахід електронних вакуумних трубок на початку 1900-х стало значним кроком на шляху до високих технологій. Стало можливим створювати такі пристрої як підсилювач сигналу або частотний генератор. Це в свою чергу призвело до розвитку комерційного радіомовлення в 1920-х, і появі в 1946 році першого цифрового комп'ютера ENIAC. Винахід транзистора в 1947 році проклало шлях до створення інтегральних схем десятиліттям по тому, і з'явилися мікропроцесори дали старт інформаційної ери, назавжди змінивши наше життя.
Людство стало дуже сильно залежати від електрики. Підвищуються і вимоги до електричних батарей - необхідні портативні і мобільні джерела електроенергії. З поліпшенням батарей збільшується і обсяг завдань, які вирішуються з їх допомогою.
Ви можете запитати: «Електрика є людству цілих 400 років?