Для чего нужно электричество

Электричество в жизни человека: роль и важность

Ежедневно нас окружает одно из важнейших изобретений всех времен – электричество. Что же означает электричество в жизни человека, почему оно так важно?

Электричество в жизни человека: почему оно так важно?

Хотя эта сила энергии используется во всем мире сегодня, перед тем как изобрести электричество, люди жили веками в темноте. Как вы можете себе представить, мир ночью был темный, за исключением пламени свечей то здесь, то там.

Однако, несмотря на то, что люди выжили без электричества, шансы на процветание человеческой расы без него были маловероятными.

Это связано с развитием и прогресом, которые стали возможными в результате производства электроэнергии. В тот момент, когда идея была представлена миру о том, что электроэнергию можно создать и оживить ею мир, это был момент, когда все в корне изменилось.

Электричество используется не только для включения света в вашем доме и для удобного приготовления пищи, уборки и проведения рабочего дня, как это делается сегодня.

Электричество в жизни человека также отвечает за поддержку многих различных отраслей, и больше всего это касается сферы технологии. Если бы идея электричества и процесс ее создания не произошли, не было бы ни одной технологии, и жизнь осталась бы неизменной.

Значение электричества в нашей повседневной жизни

Домохозяйство

Начиная с вашего дома, электроэнергия важна для работы всей бытовой техники, развлечений, освещения и, конечно, всех технологий вокруг.

Путешествия

Что касается путешествий, электроэнергия важна для использования электричек, самолетов и даже для некоторых автомобилей (таких как электромобили).

Общественные учреждения

Если вы задумаетесь о таких организациях, как школы, медицинские учреждения, больницы и торговые заведения, то всем нужна электроэнергия для эффективной работы.

Медицина

Что касается медицинской отрасли, электричество позволяет получить рентгеновские лучи, ЭКГ и мгновенные результаты анализов крови, а также многое-многое другое. Это позволяет обеспечить более эффективную медицинскую практику.

Электроэнергия также важна для работы таких машин, как компьютеры или мониторы, которые отражают данные для улучшения медицины.

Без электричества больницы и медицина не смогли бы прогрессировать и вылечить многие болезней.

Откуда берется электроэнергия?

Мало кто знает, как производится электроэнергия, что кажется нереальным, поскольку это одна из самых важных вещей, которую мы используем каждый день.

Фактически электричество генерируется из следующих источников:

Принимая во внимание какую роль играет электричество в жизни человека – чтобы поддерживать наш нынешний образ жизни и достижения в жизни, это то, что нельзя воспринимать как должное.

По сей день в слаборазвитых странах через бедность многие люди живут без электричества.

Источник

Об электричестве простыми словами или что такое электроэнергия

Немного теории об электричестве

Электричество способно создавать вокруг проводников электрического тока или заряженных тел электрическое поле. Посредством электрического поля можно оказывать воздействие на другие тела, обладающие электрическим зарядом.fv

Тела, которые заряжены одним видом знака, отталкиваются друг от друга, а которые имеют разные заряды-наоборот притягиваются.

Во время движения заряженных частиц, то есть существования электричества, также помимо электрического поля возникает и магнитное поле. Это позволяет установить родство между электричеством и магнетизмом.

Интересно, что существуют тела, которые проводят электрический ток или тела с очень большим сопротивлением.. Это было открыто английским учёным Стивеном Греем в 1729 году.

Изучением электричества, наиболее полно и фундаментально, занимается такая наука, как термодинамика. Однако квантовые свойства электромагнитных полей и заряженных частиц изучаются уже совсем другой наукойm – квантовой термодинамикой, однако некоторую часть квантовых явлений можно довольно просто объяснить обычными квантовыми теориями.

Видео

Преимущества постоянного тока

Указанные два пункта приводят к тому, что если передавать одну и ту же мощность при равных напряжениях постоянным и переменным токами, то потери мощности электроэнергии постоянным током были бы почти в два раза меньше, чем при переменном токе.

К тому же, если рассматривать такие бытовые электронные устройства как ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. п., то все они имеют блоки питания, преобразующие переменное напряжение 220 В (230 В) в постоянное напряжение более низкой величины. А такие преобразования связаны с частичной потерей мощности.

Кроме того, как было сказано ранее, трехфазный асинхронный двигатель (АД) можно подключить напрямую к сети 380 В, что вполне оправдано в том случае, когда не требуется изменять режим работы двигателя. Но если необходимо изменять частоту вращения его вала, то нужно на обмотки статора подавать напряжение, частота и амплитуда которого должны изменяться пропорционально, согласно закону Костенка. Для этого применяют трехфазные автономные инверторы (АИ), чаще всего инверторы напряжения. Такие инверторы должны получать питание от источника постоянного напряжения.

Применение

Основным проявлением электричества является электрический ток. Данное явление, представляющее собой упорядоченное движение заряженных частиц, применяется:

Таким образом, электрический ток является важнейшей частью современного мира – без него весь мир остановится и очень скоро вернется в каменный век.

Никола Тесла

Никола Тесла – выдающийся ученый, внесший огромный вклад в изучение данного явления. Тесле принадлежит более 1000 разнообразных изобретений, около 800 из которых он запатентовал.

Наиболее значительными и важными изобретениями великого ученого являются:

Также Тесла первый, кто разработал и активно практиковал правила техники безопасности при работе с электрическим током различной частоты и силы.

Электричество в природе

Природное электричество представлено следующими явлениями:

1.Атмосферное электричество (ветвистые и шаровые молнии); 2.Электрические импульсы в нервной системе живых организмов; 3.Электрические заряды, используемые некоторыми видами скатов и морских рыб для защиты от опасности и добычи пищи.

Электричество в природе

Дальнейшая суть электричества связана с самим движением этих электронов в различных средах.материалах и условиях. Например действие обычной батарейки. В ней находятся химические вещества, которые взаимодействуя друг с другом. Они из одного своего состояния переходят в другое. Это происходит посредством перераспределения электронов между изменяющимися веществами внутри. И так работает со множество электрических явлений, процессов и взаимодействий. В итоге и получаем всё то разнообразиевзаимодействий. К примеру, обычная батарейка. В ней находятся различные химические вещества, переходят в другое, а сопутствующим процессом будет перераспределение электронов внутри. Если есть дисбаланс электрических зарядов, значит есть и сила, стремящаяся выровнять его. И эту самую силу используют в батарейке для питания различных электрических устройств.

Металлы — проводники электричества

Металлы служат проводником этих самых электронов (заряженных частиц). Они легко перетекают по проводнику с одного участка в другой. Пока же совершается движение электронов, происходят параллельные физические явления. К примеру, когда много электронов упорядоченно движутся через тонкий проводник, они сталкиваются с атомами, неподвижно стоящих на своих местах в кристаллической решётки вещества. В результате таких столкновений энергия движения электронов переходит в энергию тепла атома, с которым было столкновение. То есть, энергия движения электронов частично перешла в энергию тепла, произведя нагрев данного вещества.

Электромагнитные поля

Есть и другой пример, в котором проявляется суть электричества. Это взаимодействие электромагнитных полей. Вспомним, что вокруг неподвижных заряженных частиц существует электрическое поле, а вокруг движущихся электрических частиц ещё возникает и магнитное поле. В итоге, когда заряженные частицы движутся вокруг них образуется общее электромагнитное поле, и оно воздействует на другие поля иных заряженных частиц. По такому принципу работает электродвигатель. Простыми словами — магнитные поля заставляют вращаться электрический мотор, а в этот момент по его обмоткам совершается перетекание электрических зарядов с одного полюса на другой.

Схематичное движение электрических зарядов с одного полюса на другой

Повседневное использование электроэнергии

Опасные свойства электричества происходят оттого, что оно нагревает проводник, по которому проходит ток. При работе с электричеством нельзя забывать о технике безопасности.

Где используется переменный ток

Переменный ток лежит в основе принципа действия большинства известных сегодня приборов. Проще сказать, где применяется постоянный, читатели сделают выводы:

В остальных случаях переменный ток выказывает весомое преимущество. Трансформаторы – неотъемлемая составляющая техники. Даже в сварке далеко не всегда господствует постоянный ток, но в любом современном оборудовании этого типа имеется инвертор. Так гораздо проще и удобнее получить достойные технические характеристики.

Хотя исторически первыми получены были статические заряды. Вспомним шерсть и янтарь, с которыми работал Фалес Милетский.

Источник

Основы электропитания. Зачем человеку электрическая энергия

Зачем нужна энергия?

Но, поскольку бананы сами в рот не падают и их нужно где-то добывать, то человеку, для того, чтобы выжить, приходится работать. Очевидно, что это противоречит его желаниям, поэтому с момента своего появления большинство людей стремится к тому, чтобы вместо них работал кто-то другой. Вначале это были другие люди (рабы или слуги), потом животные. И лишь пару веков назад человек наконец-то разобрался в законах природы и смог заставить ее работать вместо себя. Очевидно, что природа намного надежней и покладистей людей и животных и при правильном применении ее законов может быть совершенно безобидной.

Рисунок 1.	Пример выполнения одной и той же работы за разное время.

Но одну и ту же работу A можно выполнить за разное количество времени t (Рисунок 1). Например, человеку необходимо выкопать яму и он определил, что эта работа оценивается в 144 миллиона джоулей (A = 144 МДж). Если человек будет ее копать вручную, то на это у него уйдет около 80 часов (t = 80 ч). Однако человек не для того изучал законы природы, чтобы тратить свое драгоценное время на столь рутинное занятие. Существуют экскаваторы, способные вырыть эту яму приблизительно за час. Таким образом, в обоих случаях мы имеем одинаковое количество работы (одинаковый результат), в виде ямы одинаковых размеров, но выполненное за разное количество времени. Очевидно, что экскаватор может за единицу времени выполнить больше работы, чем человек с лопатой. Вот и появляется второй важный термин, с которым все, без исключения, люди сталкиваются в реальной жизни – количество работы, выполняемое за единицу времени, называемое «мощностью» (Power). Мощность обычно обозначается буквой P и определяется по формуле:

(1)

Единицей измерения мощности является ватт (Вт) (watt, W). Один ватт равен работе, равной один джоуль, выполненной за одну секунду:

Самое интересное, что Джеймс Уатт (James Watt), в честь которого и названа единица измерения «ватт», в качестве единицы измерения мощности использовал «лошадиную силу» (л.с.) – среднее количество работы, которую может выполнить среднестатистическая лошадь в течение продолжительного времени. Но, поскольку все лошади разные и их работоспособность зависит от множества факторов, в том числе от погоды и настроения «водителя», то точно определить количество работы, которую может выполнить конкретная лошадь, не представляется возможным. Более того, в разных регионах связь между лошадиной силой и ваттом различна. Например, в европейских государствах 1 л.с. ≈ 736 Вт, в то время как в США и Великобритании лошадей, видимо, лучше кормили, поэтому в этих странах лошадиная сила на 10 ватт больше (1 л.с. ≈ 746 Вт). На сегодняшний день, лошадиная сила является устаревшей единицей измерения мощности, не рекомендуемой для практического использования, поэтому больше мы про нее вспоминать не будем.

Но работа сама по себе выполняться не будет. Человеку или животному для того, чтобы что-то сделать, вначале нужно покушать, а экскаватору залить топлива в бак. И здесь наблюдается прямая зависимость – чем больше нужно сделать работы, тем больше нужно еды или топлива. Получается, что еда и топливо содержат в себе некую «спрятанную» работу, которую, при необходимости, можно использовать для конкретных дел. Эту потенциальную (скрытую, непроявленную) работу человек назвал «энергией» (Energy). Таким образом, для того, чтобы выполнить любую работу, вначале нужно где-то найти энергию – работу, существующую в «спрятанном» виде.

На сегодняшний день, человек относительно неплохо изучил следующие виды энергии:

Существуют и другие виды энергии, например, энергия вакуума или гипотетическая «темная» энергия, но пока человек еще толком не разобрался, что это такое и как ее можно использовать на практике. Но зато человек уже давно понял, что общее количество энергии является постоянной величиной, независимо от того, в каком виде она хранится и назвал это «Принципом (или Законом) сохранения энергии». Согласно этому принципу, процесс выполнения работы является всего лишь переходом энергии из одного вида в другой с сохранением постоянным ее общего количества.

Таким образом, для того, чтобы выполнить какую-либо работу, например, выкопать рассмотренную выше яму, не обязательно самому хвататься за лопату. Можно, например, взять немного молекул бензина и кислорода, разобрать их на составные части, потом собрать полученные атомы другим способом – так, чтобы вместо бензина и кислорода получились углекислый газ и вода – а остаток энергии, образовавшийся после такой переделки, использовать для движения лопаты с помощью соответствующего механизма. А если механизм, способный это осуществить, еще и будет сам определять, где и как ему копать (например, смарт-экскаватор под управлением искусственного интеллекта), то можно один раз нажать на кнопку, а затем просто лежать и наслаждаться процессом.

Работа и энергия имеют одинаковые единицы измерения – «джоуль», что очень удобно – не нужно делать лишние перерасчеты. Поэтому формулу (1) можно записать в виде:

(2)

где Е – количество энергии.

Однако единица измерения «джоуль», оказалась не очень удобной. Согласитесь, что слова «мощность», «энергия» и «киловатт» (одна тысяча ватт) вы не раз слышали, а вот «джоуль» доводилось слышать, наверное, только на уроках физики. Это связано с тем, что на практике более удобным оказалось использование другой единицы измерения количества энергии (и работы) – «киловатт-часа».

Происхождение этой единицы измерения можно проследить из формулы (2), записав ее немного в другом виде:

(3)

Из формулы (3), следует, что количество энергии, необходимое для выполнения какой-либо работы, равно произведению мощности (скорости, с какой эта работа будет выполняться) и времени (в течение которого эта работа будет выполняться), поэтому:

Единицы измерения «джоуль» и «ватт-секунда» (Вт∙с) количественно одинаковы. Но одна «ватт-секунда», с точки зрения обычного человека, содержит настолько малое количество энергии, что в повседневной жизни ее использовать не очень удобно. Поэтому придумали более крупную единицу измерения – «киловатт-час» (кВт∙ч), равную работе, выполняемой со скоростью один киловатт (1000 ватт) в течение часа (3600 секунд):

Киловатт-час является очень удобной единицей измерения, например, если нужно выполнить работу, количество которой равно 100 кВт∙ч, то при использовании оборудования мощностью 100 кВт на ее выполнение уйдет 1 час, а вот если мощность «лопаты» всего 1 кВт, тогда придется потратить уже 100 часов. Поскольку мощность является параметром любого оборудования, то определение количества времени на выполнение работы не требует значительных умственных сил. А вот если энергию измерять в джоулях (100 кВт∙ч = 360 МДж), что полностью одинаково с точки зрения физики, то эта связь уже будет не такой очевидной.

Необходимо отметить, что многие люди, в том числе и работающие на руководящих должностях в энергетических компаниях, часто неправильно пишут и произносят эту единицу измерения. В большинстве случаев путают «киловатты» (единицы измерения мощности) и «киловатт-часы» (единицы измерения энергии) – это разные физические величины и их смешивать нельзя, хотя в рабочем общении, когда вокруг одни специалисты, точно понимающие о чем речь, это допустимо, ведь если часто повторять «киловатт-час», то можно сломать язык. Но более грубой ошибкой является использование единицы измерения «киловатт в час» или «киловатт за час» (кВт/ч). С точки зрения физики подобная единица измерения обозначает «скорость изменения скорости выполнения работы», что эквивалентно «ускорению выполнения работы». В философии, экономике или менеджменте такой параметр может когда-нибудь и найдет практическое применение, но в технике, особенно в системах электропитания, в нем пока не было необходимости.

Еще хуже обстоит дело с киловатт-часом в Украине. Корректным сокращением украинского слова «година» (час) является «год», поэтому в украинском языке киловатт-час в сокращенном виде должен писаться как «кВт∙год». Однако очень часто технически неграмотные писатели и переводчики по аналогии с другими языками, например, английским, используют «кВт∙г». Однако «г» – это сокращение единицы измерения массы «грам» (грамм). Вот и получается, что в Украине, к очень большому сожалению, некоторые люди измеряют энергию в «киловатт-граммах» (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Табличка с уровнем энергетической эффективности стиральной машины, предназначенной для продажи в Украине, где среднее количество энергии, потребляемой за год (173 кВт∙ч), измеряется в «киловатт-граммах» (кВт∙г вместо кВт∙год)

Человек начал исследовать энергетические процессы задолго до открытия Принципа сохранения энергии и введения единой единицы измерения «джоуль», поэтому в некоторых случаях используются иные единицы измерения энергии (Таблица 1). В их число входят «калория» (кал) – количество энергии, необходимое для подогрева одного грамма воды на один градус Цельсия (или Кельвина) и «электронвольт» (Эв) – количество энергии, необходимое для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в один вольт. Калория до сих пор активно используется в тепловых расчетах и для измерения энергетической ценности пищевых продуктов, а электронвольт «полюбили» люди, работающие с атомами и молекулами, для которых один джоуль является просто огромным количеством энергии. В энергетике и электронике, в том числе и в системах электропитания, для измерения энергии обычно используют киловатт-часы (реже ватт-часы), а для измерения мощности – ватты и киловатты, поэтому эти единицы измерения в дальнейшем и будут для нас основными.

Зачем человеку электричество?

Внимательный читатель, наверное, уже обратил внимание, что в предыдущей части, когда разбирались такие понятия как «энергия» и «мощность», еще не было ни слова сказано об электричестве. Хотя у многих людей слова «киловатт» и «киловатт-час» прочно ассоциируются именно с электрическими системами. Ошибки здесь нет никакой, поскольку эти слова, действительно, имеют прямое отношение к энергетике, для которой электричество является одним из ключевых физических явлений. Однако понятия «энергия» и «мощность» относятся к любому роду деятельности человека, а не только к электричеству. Более того, они позволяют связать электрические системы с реальной жизнью, ведь само по себе электричество человеку не нужно.

Во-первых, электрический ток легко передается на большие расстояния – для этого необходимо иметь, как минимум, два электрически изолированных провода. Электрический ток распространяется самостоятельно, для его протекания не нужно строить насосы, компрессорные станции или мощные тягачи, как, например, для передачи нефти, газа или угля, а также не нужно тратить дополнительную энергию. Конечно, при протекании электрического тока возникают неизбежные потери, однако они являются управляемыми и, теоретически, могут быть уменьшены до нуля. Линии электропередач намного проще и дешевле в строительстве и обслуживании, чем линии для перевозки всех остальных видов энергоресурсов. Более того, электрическая энергия распространяется с очень большой скоростью – практически со скоростью света (≈300,000 км/с). Например, передать ее вокруг Земли, длина экватора которой равна приблизительно 40,000 км, можно всего за 0.13 секунды. Таким образом, электрическая энергия является наиболее удобным видом энергии с точки зрения транспортировки.

Во-вторых, электрическую энергию можно эффективно преобразовать в другой вид энергии – тот, который действительно необходим человеку. Например:

Кроме того, существуют и другие вещи и явления, связанные уже непосредственно со спецификой электричества. Например, с его помощью можно высушить стены здания (используется явление электроосмоса), а железную ручку чайника для предотвращения коррозии покрыть тончайшим слоем никеля или золота (используется технология гальванического осаждения металлов). Однако основное практическое использование электричества заключается в доставке энергии в нужное место с последующим преобразованием ее в тот вид, который непосредственно необходим человеку.

Рассмотрим это на примере (Рисунок 3). Пусть вам необходимо просверлить отверстие. Для этого необходимо несколько раз провернуть сверло, то есть, нужна механическая энергия. Источником механической энергии может служить, например, ветер. Значит, можно поставить на крыше большой пропеллер, который будет вращаться, отбирая механическую энергию у движущегося воздуха. Но ветряная турбина должна располагаться, в лучшем случае, на крыше здания, а отверстие нужно просверлить внутри, и как тогда передать механическую энергию в нужное место? Представьте себе эту систему ремней, цепей, редукторов и шестеренок – это будет очень сложное, громоздкое и дорогое сооружение, а самое главное – одноразовое, поскольку вам нужно просверлить всего одно отверстие.

Рисунок 3.	Пример использования электричества в качестве промежуточного звена для передачи энергии.

Таким образом, человек использует электричество в качестве промежуточного звена, позволяющего передавать энергию (способность выполнять работу) в места, где не дует ветер, не светит солнце, не текут реки и не могут находиться люди или животные. Удобство передачи и преобразования электричества позволяет создавать специальные объекты – энергетические станции, генерирующие мощные (вы уже знаете что «мощный» – способный создавать много энергии в единицу времени) потоки энергии. И такие станции могут располагаться где угодно, например, на реках (гидроэлектростанции, ГЭС), в местах, где дуют сильные ветры (ветряные электростанции, ВЭС) или ярко светит солнце (солнечные электростанции, СЭС). А если удобных природных источников поблизости нет, тогда энергию можно брать, сжигая органическое топливо (тепловые электростанции, ТЭС) или разрушая атомы радиоактивных элементов (атомные электростанции, АЭС).

Но обратите внимание, все объекты, генерирующие энергию, имеют в названии слово «электро». Вряд ли вы слышали об «механостанциях» (источниках механической энергии) или «светостанциях» (источниках световой энергии). Существуют, правда, тепловые станции (котельные, ТЭЦ), но энергия, создаваемая этими объектами, используется только для обогрева помещений, передается на относительно небольшие расстояния и с относительно большими потерями, а преобразовать ее в другие виды, например свет, весьма затруднительно.

Заключение

Вот и получается, что, несмотря на то, что человек не требует для своего физического существования электричества, без него он прожить уже фактически не может. Точнее, может, но тогда ему снова придется ужинать при свечах, много физически работать, кататься на лошадях, забыть за Интернет, телевизор и радио, а информацию передавать по старинке – с помощью бумаги и быстрых гонцов.

В этом месте можно много рассуждать, хорошо это или плохо, однако ясно одно – на сегодняшний день системы электропитания существуют в каждом доме, а источники электрической энергии, например, батарейки, можно купить во многих магазинах. И можно на этот факт упрямо не обращать внимания, надеясь, что все обойдется и использование электричества будет только приятным и безопасным, однако, как показывает практика, так бывает далеко не всегда.

Сноски

1) На самом деле разница есть, например, из-за того, что на экваторе сила, с которой Земля притягивает предметы, меньше, чем на полюсе, а один и тот же объем воды при разной температуре имеет разную массу. Однако, в нашем случае, на эти подробности можно не обращать внимания.

2) Центральная нервная система человека управляет всеми внутренними органами с помощью электрических сигналов, при этом нервы, фактически, выполняют функцию электрических проводов. Анализ и синтез подобных сигналов дает возможность создавать бионические протезы, например, рук, провода которых электрически соединяются с нервами, что позволяет мозгу управлять протезом как «родным» органом. Точно так же как видеокамера или микрофон могут передавать сигналы, непосредственно в зрительный или слуховой нерв, что позволяет восстанавливать зрение или слух.

3) Точно по такому принципу работают транспортные средства с электрической трансмиссией, например, некоторые типы гибридных электромобилей, карьерные самосвалы и даже тепловозы.

4) Известны шуточные эксперименты, в которых почтовые голуби переносили информацию, записанную на небольших твердотельных носителях, быстрее, чем она передавалась через сеть Интернет.

Источник