5 минут об электричестве в человеке

Всем привет, я Маша Осетрова, и сегодня я немного расскажу вам про электричество в теле человека.

Сюжет о Викторе Франкенштейне, создавшем монстра из неживой материи, идейно восходит к проведенным в XVIII веке опытам Луиджи Гальвани, который заставил мышцы лягушки сокращаться под действием электрического тока. Его эксперименты вдохновили многих исследователей на изучение функций электричества в теле живых существ. На сегодняшний день ученые сильно продвинулись в этой области: придумали обезболивающие, выяснили, что заставляет наше сердце биться, что происходит в голове у влюбленных и многое другое.

Между электричеством нашего организм, и электричеством, которое обеспечивает наши дома, есть два фундаментальных различия. Электричество из розетки представляет собой поток электронов. В отличие от этого практически все токи в живых существах являются потоками ионов — атомов, имеющих электрический заряд. Токи в нашем организме связаны с пятью типами частиц: четырьмя положительными ионами — натрия, калия, кальция и водорода — и одним отрицательным хлорид-аниона.

Второе важное различие связано с направлением движения частиц. Ток в электрической цепи течет вдоль проводника, в то время как распространению электрического импульса по нейрону способствует движение ионов в перпендикулярном направлении.

В книге «Искра жизни» Фрэнсис Эшкрофт собрала воедино имеющиеся на сегодняшний день знания об электрических токах в организме человека и процессах на клеточном и молекулярном уровне, управляющих передачей электрических импульсов.

В состоянии покоя на мембране всех клеток существует разность потенциалов в 70 мВ, которую также называют потенциалом покоя. Изменение этого потенциала возможно при проходе заряженных частиц через мембрану внутрь и наружу клетки через специальные шлюзы — ионные каналы.

Для управления ионными каналами соседей нервные клетки выпускают в синаптическую щель — место контакта нейронов — специальные вещества, нейромедиаторы. Они специфично взаимодействуют с ионными каналами в мембране целевой клетки, подходя к определенному типу каналов как ключ к замку. В результате взаимодействия канал открывается, пропуская через себя ионы внутрь или наружу клетки. Направление движения частиц при этом зависит от концентрации ионов и распределения зарядов.

В состоянии покоя потенциал-зависимые натриевые и калиевые каналы клеток нервной и мышечной ткани находятся в закрытом состоянии под действием потенциала покоя. Они открываются только тогда, когда потенциал смещается в положительную сторону: когда это происходит, генерируется нервный импульс.

Хотя потенциально нервные волокна могут проводить импульсы в любую сторону, обычно они передают их только в одном направлении. Двигательные нервы передают сигнал от головного и спинного мозга к мышцам для управления их сокращением, а чувствительные нервы передают информацию в обратном направлении — от органов чувств к головному мозгу.

Поддержание клеток в поляризованном состоянии жизненно важно для организма и крайне энергозатратно. Один лишь мозг использует около 10% вдыхаемого кислорода для поддержания работы натриевого насоса и подзарядки аккумуляторов нервных клеток.

Наибольшее значение для генерации нервного импульса имеют калиевые и натриевые каналы. Это подчеркивает тот факт, что яды пауков, моллюсков, актиний, лягушек, змей, скорпионов и множества других экзотических существ воздействуют именно на них и, таким образом, нарушают функционирование нервов и мышц. Многие токсины крайне специфичны и нацелены на какой-нибудь один вид ионных каналов.

Разные яды имеют разный механизм действия: некоторые из них закупоривают ионные поры, а некоторые выступают в роли «распора», фиксируя канал в открытом состоянии. Это приводит к тому, что результатом проникновения в организм одних токсинов является паралич, а других — чрезмерное возбуждение, вызывающее судороги.

К примеру, яд тетродотоксин, содержащийся во внутренностях иглобрюха, которого японцы называют «рыба фугу», обладает специфичностью к натриевым каналам. Прочно закупоривая ионные поры, он препятствует нормальной передаче нервных импульсов, вызывая паралич и зачастую приводя к летальному исходу. Тем не менее, гурманы со всего мира регулярно рискуют жизнью, чтобы отведать фугу: при правильном приготовлении она перестает быть ядовитой, и лишь слегка покалывает небо.

Еще один токсин, ради эффекта которого люди готовы рискнуть — ботокс, используемый в косметических целях для разглаживания морщин. Ботокс, он же ботулотоксин — яд бактерий вида Clostridium botulinum, — один из самых сильных известных природных ядов. Он препятствует сокращению мышц и постепенно приводит к смерти от удушья. В количестве, умещающемся на кончике иглы, он смертелен для взрослого человека, однако инъекции ботокса под кожу в ничтожных концентрациях способствуют избавлению от мимических морщин.

На этом все, читайте умные книги, не суйте пальцы в розетку и читайте портал «Чердак»! А в следующем выпуске я расскажу вам о том, как мы делаем ЭТО.

 Анастасия Тмур

Откуда берётся электричество — видео | ЭлектроАС

Дата: 17 июня, 2009 | Рубрика: Видео по электрике, Электромонтаж
Метки: Электричество

Этот материал подготовлен специалистами компании «ЭлектроАС».

Нужен электромонтаж или электроизмерения? Звоните нам!

Человек в современном мире настолько привык к достижениям науки и техники, что трудно представить, как можно обойтись без электричества. Электрическим током мир начал пользоваться с 1800 года, тогда итальянский физик Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта изобрёл первую в мире батарею и тем самым дал первый надёжный постоянный источник электроэнергии. Алессандро Вольта с 1774 года по 1779 год преподавал физику в гимназии в Комо, в 1779 году стал профессором университета в Павии, а с 1815 года — директор философского факультета в Падуе. Алессандро Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока (Вольтов столб). В честь этого события фамилию учёного увековечили, и с того времени напряжение тока измеряется в вольтах. Подумать только, если бы не было электричества, то человеку пришлось бы отказаться от большинства благ цивилизации и пересесть с шикарных автомобилей на одну лошадиную силу. Откуда же берётся электричество, и каким образом оно попадает к потребителю электроэнергии?

Электрический ток, который попадает в розетки и светильники вырабатывается на электростанции с помощью специальной машины – турбоэлектрогенератора. Давайте разберёмся, как он работает. Неподвижная часть турбоэлектрогенератора называется статором, он представляет собой двухполярный магнит, внутри статора вращается ротор, который обмотан медной проволокой. Вращение ротора внутри статора приводит к постоянной смене полярности, и электроны приходят в движение. По законам физики в данном устройстве появляется магнитное поле и в обмотке провода ротора возникает (индуцируется) направленное движение заряженных частиц. Так рождается электрический ток. Но чтобы электрический ток вырабатывался, какая-то механическая сила должна постоянно вращать ротор. Давайте разберёмся, как это происходит на теплоэлектростанции.

В котле нагревают воду до температуры 450 градусов, вода превращается в пар и под высоким давлением пар поступает из котла на лопатки турбины, что приводит в движение вал турбины, который вращается с частотой в 3000 оборотов в минуту, приводя в движение вал электрогенератора. Кстати, первая в мире электростанция общественного пользования была построена в Нью-Йорке в 1882 году. Она вырабатывала постоянный ток и питала 10000 ламп. Современные электростанции вырабатывают в 1000 раз больше электроэнергии. Одна электростанция спокойно может осветить и обогреть город с населением в 100000 человек.

По кабелю электрический ток поступает на распределительные подстанции для измерения и преобразования. Трансформаторы повышают напряжение тока до 10000 вольт и более. Вы спросите, зачем? При высоком напряжении происходит меньше потерь при транспортировке электроэнергии от трансформаторов до потребителя электроэнергии по проводам. 10000 вольт по линиям электропередачи (провода), со скоростью до 3000 километров в секунду, пройдут немалый путь, прежде чем попадут к потребителю (заводы, фабрики, офисы, квартиры, дачи). Далее электрический ток поступает на понижающие трансформаторные подстанции. Трансформатор должен уменьшить поступившее напряжение до 220 вольт. Почему уменьшается до 220 вольт? Такой в России стандарт. Только после понижения, электричество поступит по проводам и кабелям в распределительные сети, а затем к потребителям электроэнергии.

Энергетические компании, поставляющие электроэнергию, заинтересованы в модернизации и расширении рынка сбыта электроэнергии. Они нанимают подрядные организации (электромонтажная организация), которые в свою очередь выполняют электромонтажные работы по прокладке линий электропередач. Так как доставка электроэнергии к потребителю в удалённые населённые пункты является первостепенной задачей энергетических компаний, прокладка кабеля или провода воздушной линии электропередач является единственным способом качественной и надёжной передачи электроэнергии на большие расстояния. От скорейшего развития и модернизации систем электроснабжения зависит экономическое благосостояние нашей страны.

Прочая и полезная информация

Прочая и полезная информация

Электричество из дождя, плазма против вируса и шахматы по-скандинавски

• Леонид Лунеев
• Би-би-си

15 февраля 2020

В очередной подборке интересных научных новостей недели:

Автор фото, HK Uni

Одна дождинка — это уже свет

Принцип использования воды для выработки электроэнергии не нов. Во всем мире действуют сотни приливных и гидроэлектростанций, однако эффективно утилизировать низкочастотную кинетическую энергию дождевых капель до сих пор не удавалось.

А теперь представьте себе одну-единственную каплю воды, которая вырабатывает достаточно энергии, чтобы зажечь 100 светодиодных лампочек.

«Как показывают наши эксперименты, капля объемом в 100 микролитров, упавшая с высоты в 15 сантиметров, способна выработать ток напряжением в 140 вольт», — утверждает автор проекта, профессор Гонконгского университета Цзуанькай Вон.

Капельные генераторы электричества известны давно, их работа основана на принципе, когда электроэнергия вырабатывается за счет контакта двух материалов, которые при трении обмениваются электронами (вспоминаем эбонитовую палочку).

К сожалению, КПД таких генераторов крайне низок, однако ученым из Гонконга удалось преодолеть этот недостаток.

Изобретатели применили политетрафторэтилен (ПТФЭ), который при ударе по нему капель воды способен постепенно накапливать заряд, совместив его с полевым транзистором из тех, что применяются в современной электронике.

Генератор состоит из двух электродов: один из них сделан из алюминия, другой — из оксида индия и олова и покрыт этим самым ПТФЭ. На нем, собственно, и генерируется заряд.

Падающие капли воды соединяют два электрода и превращают конструкцию в замкнутую электрическую цепь, высвобождая накопленный заряд и вырабатывая электрический ток.

По словам авторов изобретения, их миниэлектростанцию можно строить везде, где жидкость соприкасается с твердой поверхностью, а вода может быть как дождевой, так и морской.

Профессор Вон надеется, что новая технология утилизации водяных капель поможет в решении глобальной проблемы поиска возобновляемых источников энергии.

«Вырабатывая электричество из дождевых капель, мы могли бы поспособствовать гармоничному развитию мира на основе восполнения энергетических ресурсов», — считает он.

Плазмой по вирусу: новый способ борьбы с инфекциями

Автор фото, robertcoeliusmichiganengineeringcommunications-mar

На фоне вспышки китайского коронавируса перед учеными в очередной раз встала задача: как обезопасить людей от заражения в общественных местах.

Маски и фильтры способны решить эту проблему лишь отчасти, поскольку не в состоянии задерживать крошечные вирусы.

В качестве альтернативы ученые из Мичиганского университета предлагают бороться с заразой с помощью низкотемпературного плазменного реактора.

Плазма, или ионизированный газ, — это одно из четырех агрегатных состояний вещества, состоящего не из нейтральных атомов и молекул, а из электронов и заряженных ионов.

Существует сразу несколько теорий относительно того, как плазма низких температур убивает бактерии, однако убить вирус не так просто — хотя бы потому, что он изначально является лишь условно живым.

В ходе экспериментов выяснилось, что удар плазмы обеззараживает воздух на 99%: ДНК вирусов при этом не страдает, но у них пропадает способность к заражению. Ученые объясняют это тем, что плазма окисляет вирусы, отключая у них механизмы, с помощью которых они проникают в клетки.

Врачи пока не знают, почему некоторые вирусы и бактерии, находясь в воздухе, дольше сохраняют способность к заражению, но именно эта способность делает их более опасными. Ведь в замкнутых многолюдных пространствах — к примеру, в салоне самолета, — когда естественная концентрация патогенных частиц долгое время не спадает, опасность распространения инфекции особенно высока.

Поэтому применение плазменного реактора, а по сути — большого вентилятора с плазменной установкой, который способен за доли секунды убить бактерии и нейтрализовать вирусы, могло бы стать эффективным средством борьбы с инфекциями, которые распространяются воздушно-капельным путем.

Смерть на кончике хвоста

Автор фото, Getty Images

Никто уже не сможет с точностью сказать, отчего скончался этот динозавр, живший на территории современного канадского штата Альберта, но 66 миллионов лет назад он в последний раз взмахнул своим могучим хвостом.

Собственно, все, что осталось от этого гадрозавра — гигантского утконосого травоядного ящера, — это 11 хвостовых позвонков. И 8 из них явили ученым признаки болезни, ранее не наблюдавшейся у динозавров, зато встречающейся у современного человека.

«В двух позвонках мы обнаружили большие каверны, — объясняет специалист по эволюционной биологии Тель-Авивского университета Хила Мэй. — И они были очень похожи на каверны, возникающие при клеточном гистиоцитозе Лангерганса (КГЛ) — редком онкологическом заболевании, которое в наши дни встречается у людей».

Автор фото, Assaf Ehrenreich/Tel Aviv University

Результаты микротомографии подтвердили первоначальный диагноз ученых, доказав, что эта редкая форма рака существовала уже в конце позднего мелового периода.

По словам ученых, КГЛ и раньше находили у животных, в частности, у древесных землероек и тигров, но у динозавра признаки этого редкого заболевания выявлены впервые.

В наше время от КГЛ, который сопровождается сильными болями и опухолями, как правило, страдают дети. И хотя в большинстве случаев болезнь удается вылечить, врачи пока что мало знают о том, что именно ее вызывает.

Поэтому специалисты полагают, что открытие КГЛ у динозавров поможет понять эволюционные процессы этого заболевания и то, как динозавры научились с ним справляться и выживать. А это, в свою очередь, может привести к созданию эффективных методов лечения КГЛ.

Шахматы для викингов: партия, которая не закончится добром

Автор фото, Durham University

В промежутках между грабежами и насилием викинги, совершавшие первые набеги на Англию, любили посидеть за настольной игрой.

Об этом ученым из Даремского университета поведала очень редкая археологическая находка, сделанная на острове Линдисфарн у северо-восточного побережья Англии.

Судя по всему, эта фишка из белого и синего стекла размером с небольшую конфету была королем из древней скандинавской игры hnefatafl («Королевский стол»), которая чем-то напоминала шахматы.

Ценность находки заключается в том, что ей около 1200 лет, и это лишь вторая подобная фишка, обнаруженная в Британии.

Впрочем, не все историки убеждены в том, что викинги шли в бой с настольной игрой и фишка выпала из кармана захватчика во время рейда.

«Не исключено, что это была фигура из похожей игры, в которую играли представители элиты в северной Англии еще до того, как там появились викинги», — считает археолог Лиса Уэсткотт Уилкинз.

Если это в самом деле фигура из местной версии игры, то это еще более важно и интересно, поскольку свидетельствует о растущем влиянии скандинавской культуры на монахов Линдисфарна и на всю средневековую Нортумбрию.

Кстати, в этой игре короля тоже нужно защищать от других фигур. Что же касается настоящих шахмат, то первые резные фигурки появились в Европе чуть позже.

И еще это говорит о том, что средневековый Линдисфарн был оживленным местом, а вовсе не скучной и аскетичной обителью монахов, как мы часто представляем времена раннего христианства.

«Только вообразите: викинги, высадившиеся на Линдисфарне, могли, хотя бы теоретически, сыграть с местными монахами партию в игру, которая была известна обеим сторонами, хотя они почти наверняка заспорили бы о том, по чьим правилам играть», — говорит Уэсткотт Уилкинз.

Уже реальность. Огороды в черте города будут вырабатывать электричество

Как мы поступаем, если во время прогулки у нас внезапно разрядился телефон? Начинаем искать ближайшее кафе, в котором может оказаться свободная розетка. Но, возможно, совсем скоро все изменится, и, обнаружив опустевший индикатор заряда, мы бросимся к ближайшей яблоне или клумбе с базиликом. Звучит это пока странно, но, например, на улицах Барселоны скоро появятся съедобные растения, способные генерировать электроэнергию.

В 2020 г. испанский фонд BIT Habit Barcelona Foundation запустил конкурс городских инноваций Ciutat Proactiva: молодым инженерам предложили придумать способы, которыми Барселону можно сделать высокотехнологичным и экологичным городом. Проектов было представлено немало, но авторитетная комиссия выбрала семь победителей, которые затем получилили гранты. Одним из них стал проект «Co-mida: городская зелень для производства энергии и продуктов питания». Его авторы – сотрудники Института передовой архитектуры Каталонии (IAAC). Как ясно из названия проекта, на городских улицах будут высаживать растения, которые станут электрогенераторами. Как же это работает?

Многие из нас знают, что электричество можно добывать из картофеля или, например, лимонов. Забавный школьный опыт выглядит так: в картофелину втыкают пару гвоздей (медный и оцинкованный), к ним присоединяют провода, и такая система способна немного отклонить стрелку вольтметра. Ток получается крохотный, но его можно увеличить, соединив последовательно несколько картофелин. Правда, мощность все равно будет небольшой: чтобы зарядить, допустим, смартфон, потребуется целый мешок картошки. Разумеется, такой способ не подходит для практической реализации.

Но есть и другой метод, он основан на явлении биофотогальваники. В последние годы получили распространение так называемые «зеленые гальванические элементы» или топливные ячейки «бактерия + растение». В отличие от картофельных батареек, это самообновляемый тип растительных источников энергии: все, что ему нужно для работы, – это почва, солнечный свет, углекислый газ и вода.

Растения, поглощая солнечный свет и углекислый газ, в процессе фотосинтеза производят органические вещества, часть из которых попадает в почву. Особые бактерии, живущие вокруг корней, расщепляют эту органику, попутно выделяя электроны. Эти заряженные частицы могут быть захвачены анодом, а как мы помним из школьного курса, электрический ток – это и есть движение электронов. Осталось лишь направить это движение к потребителю.

Стартап CO-mida планирует выстроить на улицах Барселоны вертикальные сады, «зеленые электростены». С помощью специального 3D-принтера печатают керамические цветочные горшки-ячейки особой формы: их можно крепить на вертикальные поверхности, заполняя любую площадь, вплоть до нескольких сотен квадратных метров.

Такая стена представляет собой единую систему, управляемую общим контроллером. Каждая ячейка способна постоянно генерировать небольшое напряжение – примерно 0,2 вольта. Разумеется, чем больше ячеек, тем лучше. Собранная энергия направляется в городскую сеть, а кроме того, любой желающий может подключиться к ней и зарядить гаджет.  

CO-mida решает сразу три задачи: озеленяет город, вырабатывает электричество и производит пищевые продукты, поскольку в ячейки высаживают съедобные растения. Разумеется, яблоню на стену не посадишь, но, например, огурцы – запросто.

Прямо сейчас разработчики заняты постройкой пилотных вертикальных садов в двух районах Барселоны. Так что вполне вероятно, что через некоторое время любой прохожий сможет ненадолго присесть в тени зеленой стены и подпитать севший смартфон, похрустывая свежим огурчиком.

Самые необычные альтернативные источники электроэнергии

С каждым годом нам нужно больше электроэнергии. Ученым приходится изобретать нетрадиционные способы ее получения — недорогие и безопасные для атмосферы. Рассказываем о необычных разработках в области электроэнергетики

Энергия из морских волн

В апреле 2021 года британская компания Mocean Energy представила Blue X — прототип установки, которая будет преобразовывать кинетическую энергию морских волн в электричество.

Установка Blue X

(Фото: Mocean Energy)

Принцип работы такой: установку помещают на поверхность воды, она качается на волнах и приводит в движение шарнир посередине. Тот в свою очередь запускает генератор, который вырабатывает электроэнергию и по кабелям перенаправляет ее на сушу.

Как это применять: по оценкам Mocean Energy, если использовать хотя бы 1% всей доступной энергии волн в мире, можно обеспечить электричеством 50 млн зданий. Для сравнения: в России насчитывается около 14 млн жилых домов.

Энергия из ДНК

Оказалось, что органические молекулы тоже преобразуют солнечную энергию в электричество. В 2021 году немецкие ученые сумели синтезировать супрамолекулярную — то есть более сложную, чем обычная молекула — систему на основе ДНК.

Структура супрамолекулы

(Фото: frontiersin.org)

Основа системы — фуллерен, «футбольный мяч» из 60 атомов углерода. К нему крепится краситель, который поглощает солнечный свет и отдает получившуюся энергию фуллерену. Но возникает проблема: если не упорядочить такие супрамолекулы, ток между ними будет протекать с трудом, а со временем и вовсе затухнет.

Ученые предложили такое решение: закрепили супрамолекулы на основе фуллеренов и красителя на спирали ДНК. Так движения электронов становятся упорядоченными, а электрический ток не затухает.

Как это применять: исследователи не обещают, что в скором времени на всех крышах появятся солнечные батареи из ДНК, но развивать это направление планируют. По их прогнозам, технология будет дешевле, прочнее и долговечнее, чем солнечные батареи на основе кремния.

Респираторы с солнечными батареями

Берлинский изобретатель Хайнц Кнупске превратил респиратор в устройство, генерирующее электроэнергию. По сути, это привычная для нас маска, на поверхности которой закреплена маленькая солнечная батарея.

Схематично респиратор с солнечной батареей выглядит так

(Фото: photovoltaik. eu)

Как это применять: батарея вырабатывает энергию, которой хватает для подзарядки телефона или часов. В начале 2021 года в Китае уже наладили серийное производство «солнечных» масок и отправили первую партию в Европу.

Солнечные паруса

В 2019 году Планетарное общество развернуло парус LightSail 2 на одной из ракет от SpaceX, и он успешно прошел испытания.

LightSail 2 во время развертывания

(Фото: The Planetary Society)

Солнечный парус — почти то же самое, что и обычный парус на кораблях. Только в движение его приводит не ветер, а солнечная энергия — поток заряженных частиц, которые выделяет Солнце. Если поймать этот поток энергии, можно долгое время путешествовать в космосе по заданному маршруту, а топливо для этого не понадобится.

Как это применять: используя наработки Планетарного общества, в 2021 году NASA с помощью паруса планирует долететь до Луны, а затем отправиться к околоземному астероиду 1991 VG.

«Бесконечная» энергия из воздуха

В 2020 году ученые из Массачусетского университета создали Air-gen — генератор, который создает электричество с помощью натурального белка и влаги из воздуха.

Графическое изображение пленки из белковых нанопроводов, вырабатывающих электричество с помощью влаги из атмосферы

(Фото: UMass Amherst / Yao and Lovley labs)

С помощью протеобактерий Geobacter ученые выращивают белок, который может проводить ток. Из него делают пленку толщиной менее 10 микрон — в несколько раз тоньше, чем человеческий волос — и помещают между двумя электродами. Белок забирает влагу из воздуха и за счет тонких пор создает ток между электродами.

Лучшие результаты Air-gen показывает при влажности в 45%, но справляется и в засушливых регионах вроде Сахары. Генератор не зависит от погодных условий и работает даже в помещении.

Как это применять: пока мощности Air-gen хватает только для питания мелкой электроники. В скором времени ученые разработают версию для мобильных телефонов и смарт-часов, чтобы те никогда не разряжались. А если у исследователей получится совместить Air-gen с краской для стен, в домах появится бесконечный источник электроэнергии.

Электричество из дерева

Если сжать древесину, а потом вернуть в исходное состояние, она вырабатывает электрическое напряжение — правда, очень низкое. Ученые из Швейцарии провели несколько экспериментов и в 2021 году сумели превратить древесину в мини-генератор.

Исследователи изменили химический состав древесины. Они поместили ее в смесь перекиси водорода и уксусной кислоты, растворили один из компонентов древесной коры — лигнин — и оставили только целлюлозу. В результате древесина превратилась в «губку», которая после сжатия самостоятельно возвращается в исходную форму. По словам ученых, такая губка генерирует электрическое напряжение в 85 раз выше, чем обычное дерево.

Так выглядит древесина после растворения лигнина

(Фото: САУ Nano / Empa)

Как это применять: пока исследователи проводят испытания получившегося материала. Они уже выяснили, что энергии 30 деревянных брусков длиной 1,5 см хватит для питания ЖК-дисплея.

Жидкое топливо из солнечной энергии

Сейчас электричество получают с помощью сжигания органического топлива, например угля и природного газа. У этого способа есть две проблемы: органическое топливо вредит экологии и когда-нибудь закончится. Это заставляет ученых искать замену органике.

С 2001 года китайские ученые пытались преобразовать солнечную энергию в жидкое топливо. Спустя 20 лет у них это получилось.

Исследователям удалось получить жидкий продукт с минимумом примесей — содержание метанола в нем достигает 99,5%. Для этого потребовалось три шага:

• превратить свет, полученный с помощью солнечных батарей, в энергию;
• с помощью этого электричества разложить воду на водород и кислород;
• соединить водород и оксид углерода и получить метанол.

Чтобы получить нужное количество солнечного света, исследователи используют целые фермы солнечных батарей

Как это применять: в отличие от нефти и угля, это топливо сгорает чисто. Если у Китая получится сделать производство жидкого метанола массовым, углекислого газа в атмосфере станет намного меньше — на долю Китая приходится около 29% мировых выбросов.

Электричество для детей — что такое электричество и откуда оно берется?

Представьте, вы с ребенком собрались просмотреть мультфильм или познавательную передачу, улеглись на диван и вдруг ваше чадо спрашивает: «А от чего работает телевизор/телефон/планшет?» Вроде бы ответ простой — от электричества, но не нужно быть Нострадамусом, чтобы предугадать следующий вопрос, который поступит от ребенка: «А откуда берется электричество?» И здесь у многих родителей наступает ступор, в особенности у тех, кто не заканчивал физмат, и их профессия никоим образом не связана с этим направлением.

Конечно, можно ответить так же просто, как и на предыдущий вопрос: «Электричество берется из розетки». Но чтобы ваш ребенок получил полный и раскрытый ответ, причем доступным и понятным языком, без заумных формул и определений, которыми написана большая часть учебников по физике, мы предлагаем задержаться на этой странице и прочитать, возможно, не новую, но полезную и познавательную информацию.

Что такое электричество?

Само слово «электричество», а точнее, «электрическая» сила появилось более 2000 лет назад в Древней Греции. Люди заметили, что если потереть янтарь о шерсть, то камень начинает притягивать к себе различные предметы небольшого размера. Янтарь на древнегреческом языке именовался «электроном», отсюда и произошло само название.

Но дальше простых экспериментов со статическим электричеством у Древних Греков изучение загадочного феномена не продвинулось. А раскрывать сущность всего явления стали намного позже. Ученые выяснили, что окружающие предметы состоят из элементарных частиц: протонов и электронов. Эти два вида частичек имеют электрический заряд: у электрона он отрицательный, а вот у протона — положительный. Притягиваясь друг к другу, они тесно взаимодействуют и в зависимости от количества протонов и электронов образуют атомы разных материй.

Сами протоны располагаются в ядре атома, а вот электроны вращаются возле них по кругу. Атомы с количеством протонов равным числу электронов имеют нулевой заряд. Например, если камень янтаря лежит сам по себе, и его никто не трогает, то его атомы также имеют нулевой заряд. Но стоит потереть атомы янтаря об атомы шерсти, как электроны из шерсти мигом переберутся на янтарные, и их «переизбыток» сделает заряд отрицательным. Такой камушек с «новой силой» и начинает притягивать к себе мелкие предметы с нулевым или положительным зарядом, а если у предмета будет отрицательный заряд — он их оттолкнет.

Электрический ток — организованный отряд электронов

Но каким образом электричество живет в розетке, если все настолько рассеянно в этой схеме?

Почти все атомы могут терять и хватать электроны. Так, если у одних их будет избыток, а у других —недостаток, то направляемые электрическими силами электроны устремятся туда, где их не хватает. Вот этот поток и называется электрическим током.

Среди привычных нам понятий электрический ток похож на реку, которая, разливаясь на множество ответвлений, питает электроприборы. Но перед тем, как направить этот поток отрицательно заряженных частиц, их нужно откуда-то взять?

Над этим вопросом бились лучшие умы прошлого тысячелетия, но первым смог сделать прорыв итальянский ученый — Алессандро Вольта, который в 1800 году изобрел первую батарею, получившую название «Вольтов столб», тем самым подарив миру надежный источник постоянной электроэнергии. В благодарность за такое открытие фамилия ученого была увековечена, и с того времени напряжение тока измеряется в вольтах.

Откуда берется электричество?

Несмотря на то, что «Вольтов столб» и совершил прорыв в науке того времени, за последующие 200 лет была сделана уйма более глобальных открытий и выявлено множество способов добывать электрический ток, для которых построены огромные сооружения и используются новейшие технологии! А теперь по порядку.

ТЭС — тепловая электростанция

Для выработки тока на ТЭС установлен турбоэлектрогенератор, состоящий из:

• неподвижной части — статора в виде двухполярного магнита;
• вращающегося ротора, который обмотан медной проволокой, так как этот металл считается наилучшим и наиболее доступным проводником.

Беспрерывное вращение магнита постоянно меняет полярность (полюса) отчего электроны в проволоке приходят в движение, как в примере с янтарем и шерстью, только в больших масштабах. Но чтобы весь этот механизм работал и вырабатывалось электричество, «что-то» должно крутить огромную турбину. Для этой цели на ТЭС установлены огромные котлы, которые нагревают воду до 450 ℃, отчего она превращается в пар. Далее под высоким давлением пар поступает из котла на лопасти, закрепленные к ротору, и запускает его в работу с невероятной скоростью — 3000 оборотов в минуту!

АЭС — атомная электростанция

Здесь так же, как и в ТЭС, установлен турбоэлектрогенератор, но вот за нагрев воды отвечает очень опасный, но энергоэффективный Уран-235. Чтобы он выделил тепло, на АЭС построены огромные ядерные реакторы, в которых Уран-235 распадается на мелкие частички, отчего и вырабатывается большое количество энергии, используемой для нагрева воды до состояния пара и запуска турбоэлектрогенератора.

ГЭС — гидроэлектростанция

Более безопасный, но не менее эффективный способ получения энергии. Хотя для него и потребуется соорудить целую цепь гидротехнических сооружений, чтобы создать необходимый напор воды для обеспечения работы турбин электрогенератора. А далее принцип, как и в предыдущих двух электростанциях: крутится ротор и вырабатывается электричество.

Ветряные станции

Выглядят они величественно и красиво, да и с помощью силы ветра еще в древности запускали в работу огромные механизмы, такие как ветряные мельницы.

В современном мире решили усовершенствовать этот механизм и использовать для преобразования механической энергии в электрическую. Принцип следующий: ветер толкает огромные лопасти, которые запускают в работу ротор генератора, а он уже, как мы знаем на примере первых трех электростанций, и вырабатывает ток.

Но таким способом при помощи одного ветрогенератора не обеспечишь электричеством даже небольшой городок, поэтому и устанавливается целая сеть огромных механизмов, состоящая из 100 и более единиц.

Немного истории

Первая в мире электростанция для общественного пользования «Перл Стрит» была построена в Нью-Йорке в 1882 году. Ее спроектировал и установил не кто иной, как Томас Эдисон. И даже не брал плату за пользование вырабатываемой электроэнергией, пока весь механизм не заработал слаженно и без перебоев.

Но «прабабушка» всех станций могла зажечь только 10000 ламп, хотя и по тем временам это было чем-то сверхъестественным. В то же время современные электростанции вырабатывают в тысячи раз больше, обеспечивая электрическим током города с населением в 100000 человек!

Как электрический ток поступает в дома?

После того, как электростанции выработают ток, он по кабелю попадает на распределительную подстанцию для измерения и преобразования. Там же установленные трансформаторы повышают напряжение до 10000 вольт. Благодаря такому напряжению ток с минимальными потерями передается на дальние расстояния с невероятной скоростью, составляющей до 3000 км в секунду!

Потом ток поступает на понижающую подстанцию, где трансформаторы уменьшают напряжение до 220 вольт — стандарт, принятый в РФ. И далее электричество направляется на распределительные сети города, а оттуда — к вам в дом и квартиру. Вот такой непростой путь он проделывает, чтобы зарядить наш телефон, зажечь лампочку или заставить работать холодильник.

Как ток заставляет работать электроприборы?

Но как же у тока получается запустить в работу электрические устройства? Для наглядного понимания возьмем за основу обычную лампу накаливания и вернемся к нашим маленьким частицам.

Когда электроны с невероятной скоростью проходят по спирали лампочки, они постоянно наталкиваются на атомы металла, из которых состоит спираль. Атомы раскачиваются, и их температура сильно поднимается. Таким образом, электрический ток нагревает спираль лампы до 3000 градусов, отчего она начинает светиться. Именно поэтому для спирали не подходит использование любого металла, потому что он просто будет плавиться из-за высокой температуры.

В современных устройствах — мобильных телефонах, телевизорах, микроволновых печах — задействованы более сложные схемы, но принцип остается таким же: из-за быстрого потока частиц атомы проводников нагреваются, отчего и выделяют энергию и запускают в работу приборы.

Не только друг, но и враг!

Конечно же, электричество — важное и незаменимое изобретение для всего человечества. С его помощью люди:

• сделали и ежедневно делают уйму открытий;
• лечат смертельные в прошлом болезни;
• ездят на электротранспорте, не загрязняя окружающую среду выхлопными газами;
• могут путешествовать по миру, узнавать и видеть достопримечательности не выходя из дома!

Всей пользы электричества просто не описать в одной статье!

Но при всем этом ток может быть и опасным и в долю секунды забрать жизнь любого живого существа.

Кстати, любопытный факт. Птицы, которые сидят на высоковольтных проводах, не получают разряда из-за того, что принимают такое же напряжение, как и в самом кабеле. Дело в том, что они сидят только на одной фазе, но если вдруг хвостом или другой частью тела птица коснется земли, столба или другого провода, то ток сразу же ее ударит.

Правила безопасного обращения с электричеством для детей

Маленькие дети не понимают всей опасности обращения с электричеством. Конечно, речь сейчас идет не об игрушках, питающихся от батареек напряжением в 12 вольт, а об опасном и сильном «звере», живущем в розетках. Поэтому малышей нельзя оставлять вблизи розеток без специальных заглушек, да еще и без родительского присмотра.

Для более взрослых детей стоит провести беседу и объяснить следующие правила. Нельзя:

1. Ставить или вешать посторонние предметы на провод прибора.
2. Закручивать кабель в узлы.
3. Пользоваться грязным проводом.
4. Использовать электроприбор вблизи источников тепла: батарей, плит, духовых шкафов и т. п.
5. Включать несколько мощных устройств одновременно в одну розетку. Покажите ребенку, где и как можно посмотреть мощность, или сами заранее составьте список, что с чем можно включать, а что — нет.
6. Использовать или пытаться починить сломанный электроприбор, в том числе если нарушена изоляция (целостность) кабеля, повреждена вилка и т. п.
7. Браться мокрыми руками за прибор или кабель.
8. Тянуть за шнур (нужно выключать прибор из розетки, держась за вилку).

Также могут возникнуть непредвиденные ситуации:

• искры из розетки;
• дым от кабеля или прибора;
• запах гари и т. п.

На этот случай необходимо показать ребенку, где находится электрический щиток и как его выключить, и объяснить, что после отключения электричества нужно обязательно позвонить кому-то из взрослых.

И в заключение

Мы живем в прекрасное время, когда с помощью электричества создаются невероятные вещи, делающие нашу жизнь комфортной и безопасной. Чтобы оставить нам этот бесценный дар, многие ученые положили десятилетия своей жизни на его изучение. А с нашей стороны требуется всего лишь малость — научить детей правилам обращения с электричеством и подать им правильный пример, чтобы все труды лучших умов были использованы лишь на благо человечества!

Курсы по физике для детей 7-14 лет

Обучаем физике и естественным наукам в увлекательном игровом формате.

узнать подробнее

Ученые научились напрямую преобразовывать энергию движений человека в электричество

Американские нанотехнологи создали ткань, которая способна вырабатывать электричество при малейших механических колебаниях. Костюм из такой наноткани пока способен выдавать при ходьбе лишь несколько десятков мВт электрической мощности, однако и этого более чем достаточно.

Ученые полны уверенности, что однажды утром, надев костюм из тканной наноматерии, вы не расстроитесь, обнаружив, что забыли зарядить мобильник, а вместо этого подключите его к костюму-электрогенератору и решите дойти до метро пешком, с каждым шагом вливая очередную порцию энергии в аккумулятор.

Автором идеи и её успешного воплощения в жизнь стал Чжун Линь Ван и его коллеги из Технологического института Джорджии. Они соткали нанотехнологическую нить, волокна которой, будучи потерты друг о друга, вырабатывают электрический ток. Материалы, сотканные из таких волокон, могут быть использованы в покрое электрогенерирующей одежды и обуви специального назначения – например, для военных. Изделия из такой ткани могут быть использованы и в конструкции электронных имплантантов, таких как кардиостимуляторы.

Как отмечает сам Ван в статье, вышедшей в свежем номере Nature, его долгое время обескураживал поток инноваций в области наноразмерных устройств различного назначении, не подкрепляемый такими же усилиями по разработке специальных наноразмерных питающих устройств. По его словам, будучи сверхминиатюрными и потребляющими микроскопические количества энергии эти устройства все равно требуют питания от традиционных химических источников тока.

В то же время огромное количество энергии окружающей среды, недостаточное для питания современных мобильных устройств – ноутбуков и телефонов, может вполне сослужить службу наноустройствам будущего.

Эту энергию можно черпать из солнечного света, из энергии воздушных потоков и даже из механических движений, массу которых человек совершает ежедневно. Последний вариант и привлек Вана больше остальных. Действительно, разработка такого источника энергии позволит человеку быть полностью мобильным и производить электроэнергию вне зависимости от времени суток и местоположения.

Именно поэтому Ван был изначально ориентирован на создание тканого материала. Элементы одежды, сшитые из такого материала, должны преобразовывать механическую энергию человеческих движений в электричество. За основу в своей работе он взял обычную кевларовую нить, применяющуюся в производстве высокопрочных тканей, на которую учёный нанес тонкий слой кремнийполимерного материала тетраэтоксисилана.

Далее он вырастил на этой поверхности слой «шерсти» из наноразмерных нитевидных кристаллов оксида цинка – ZnO. Эти кристаллы торчат в разные стороны, образуя плотную щетину, наподобие той, что топорщится на зубных щетках.

Применение именно оксида цинка обусловлено его пьезоэлектрическими свойствами – малейшая деформация кристаллов этого оксида приводит к образованию разности потенциалов на их гранях.

Кроме того, ZnO обладает полупроводниковыми свойствами, сочетание которых с пьезоэлектрическими и обеспечивает работоспособность генератора.

close

100%

Схема выработки электроэнергии

При движении одного волокна вдоль другого происходит сгибание кристаллов ZnO, что приводит к появлению разности потенциалов на их гранях. Под действием электрического напряжения происходит сток электронов из золотого покрытия в объем…

Однако это еще не все. Элементарным генератором в тканом материале будущего на основе инновации Вана является переплетение двух таких нитей. Причем кристаллы второй нити покрыты тончайшим слоем золота. Золото, будучи прекрасным проводником электричества, служит в данном случае источником подвижных электронов – носителей заряда. Кроме того, золотое покрытие нанокристаллов цинка делает их более твердыми.

Твёрдость позволяет позолоченным кристаллам в ходе трения о кристаллическую щетину второй, не позолоченной нити изгибать и деформировать кристаллы на её поверхности, самим оставаясь прямыми. Это приводит к формированию разности потенциалов между растянутой гранью кристаллов и сжатой. Под действием этой разности потенциалов электроны при контакте золоченого нанокристалла и обычного переходят из металлического слоя в объем полупроводника.

Концы кевларовых волокон могут быть объединены в замкнутую электрическую цепь, в которую не составляет труда включить какую либо нагрузку – будь то электронное наноустройство или простая лампочка.

Как отмечает Ван, технология получения нанотехнологических волокнистых электрогенераторов проста и может быть воспроизведена в простейших лабораторных условиях. Сам Ван получал свои волокна в обычном химическом стакане при температуре 80 ^оС. Для оценки мощности единичного генератора учёный поставил эксперимент, в котором две нити растягивались и сжимались в противоположных направлениях с частотой 80 Гц. В этом режиме единичный генератор способен выдавать до 5 пикоампер электрического тока. Несмотря на то что это очень маленькая величина, Ван отмечает, что нить, сотканная из трех таких нанотехнологических генераторов, способна выдавать в пятьдесят раз больше электричества.

Американский учёный не видит существенной трудности в том, что бы соткать большое полотно из своих нитевидных электрогенераторов и отмечает, что одежда, сшитая из подобных материалов, будет способна вырабатывать электричество из самых слабых и незаметных человеческих движений. Даже биение сердца будет вызывать циркуляцию тока в подобной ткани.

Ван до сих пор затрудняется сказать точно, насколько существенно будет увеличение мощности тканого электрогенератора при переходе от одной нити к полотну, однако оценочные выкладки его коллег предсказывают мощность от 20 до 80 мВт для одного квадратного метра ткани при механическом воздействии, эквивалентном обычной ходьбе человека. Для современных электрических устройств, разумеется, и этого очень мало. Например, мобильные телефоны рассчитаны на мощность питающего устройства в 1–3 Вт.

Несмотря на это, многие промышленные компании уж заинтересовались разработкой Вана, так как перспектива использования подобного материала очевидна всем.

Ван не приводит оценок себестоимости материала, но выражает абсолютную уверенностю, что в течение двух-трех ближайших лет его инновация приведет к созданию полноценно материала, функционально завершенного, эффективного, надежного, гибкого и пригодного для покроя одежды. Остается только дождаться отклика индустрии моды.

Электрический ток — Как генерируется электрический ток | Определение

Как правило,
Текущий
означает поток чего-либо из одного места в другое. Для
Например, вода падает с холма, речная вода движется с
одно место в другое место, и океанская вода движется из одного
место в другое место известны как водные потоки. В реке
и океан, молекулы воды движутся из одного места в другое.
другое место будет проводить ток.

В
а
подобным образом переносчики электрического заряда движутся из одного
указывает на другую точку в проводнике или полупроводнике.
проводит электрический ток.

Электрический
Текущий
определение

поток носителей электрического заряда в проводнике или полупроводнике называется
электрический ток.

В
проводники
или полупроводников, электрический ток проводится крошечными
частицы.Эти крошечные частицы известны как электрический заряд.
перевозчики.

Носителями электрического заряда могут быть электроны, дырки,
протоны, ионы и т. д. Однако электрический ток часто
проводятся электронами и дырками.

В
проводники, отверстия незначительны. Так электроны проводят
электрический ток.
В полупроводниках присутствуют как электроны, так и дырки.Так
и электроны, и дырки проводят электрический ток.

Электрический
ток — важная величина в электронных схемах. Когда
напряжение
наносится поперек проводника или полупроводника,
электрический ток начинает течь. Электрический ток часто бывает
для простоты называется «текущий».

Электрический
Текущий
символ

Электрический ток
представлен символом
ɪ.В
символ ɪ
было
использовался французским физиком Андре-Мари Ампер. В
его именем названа единица электрического тока (ампер).

Что
такое электрический заряд?

Электрический
заряд — это фундаментальное свойство таких частиц, как
электроны и протоны. Электрический заряд не может быть создан
ни уничтожен.Это означает, что если есть электрон или протон
тогда есть заряд.

электронов
имеют отрицательный заряд, а протоны — положительный.
Протоны намного тяжелее электронов. Однако обвинение
протона равен заряду электрона.

ср
знайте, что если два противоположных заряда помещены рядом с каждым
другие они привлекаются.С другой стороны, если два одинаковых или
как заряды помещаются близко друг к другу, они отталкиваются.

Когда
протон помещается ближе к электрону, они притягиваются.
С другой стороны, когда два протона или два электрона
размещенные близко друг к другу, они отталкиваются.

Электрический
плата
измеряется в кулонах (C). Один кулон — это количество
заряд переносится током в 1 ампер за 1 секунду.Для
Например, если 4 кулонов (Кл) заряда проходят за 2 секунды,
ток = 4 ÷
2 = 2 ампера (А).

Как
электрический ток генерируется?

Атомов
являются основными строительными блоками материи. Каждый объект в
Вселенная состоит из атомов. Атомы крошечные
частицы. Их размер указан в нанометрах.

Каждый атом состоит из субатомных
частицы, такие как электроны, протоны и нейтроны. Эти
субатомные частицы меньше атома.

электронов отрицательно заряжены
частицы, протоны — положительно заряженные частицы, и
нейтроны — нейтральные частицы (без заряда).

Протоны и нейтроны намного тяжелее
чем электроны.Таким образом, протоны и нейтроны всегда находятся в
центр атома. В
сильный
ядерная сила между протонами и нейтронами заставляет их
всегда держитесь вместе.

Протонов имеют положительный заряд и
нейтроны не имеют заряда. Итак, общий заряд ядра
положительный.

Электроны всегда вращаются вокруг
ядро из-за электростатической силы притяжения
между ними.

Электроны вращаются вокруг
ядро на разных орбитах. Каждая орбита имеет уровень энергии
связанные с ним.

Электроны, вращающиеся при закрытии
расстояние от ядра имеют очень низкую энергию. С другой
стороны, электроны вращаются на большем расстоянии от
ядра обладают очень высокой энергией.

Электроны на внешней орбите
атом называют валентным
электроны.Эти электроны очень слабо прикреплены к
родительский атом. Итак, приложив небольшое количество энергии
достаточно, чтобы освободить их от родительского атома.

Когда небольшое количество энергии в
форма тепла, света или электричества
поле передается валентным электронам, они получают
достаточной энергии, а затем отделяется от родительского атома.

Электроны, отделенные от
родительский атом известен как свободный
электроны.Эти электроны свободно перемещаются из одного места в другое.
другое место.

Мы знаем, что электроны имеют отрицательный
плата. Таким образом, свободные электроны несут отрицательный заряд от одного
место в другое место.

Мы знаем, что электрический ток означает
поток заряда. Итак, электроны свободно перемещаются из одного места
в другое место будет проводить электрический ток.

В полупроводниках оба свободных электрона
и дырки присутствуют. Свободные электроны отрицательно
заряженные частицы. Таким образом, они несут отрицательный заряд (электрический
Текущий). Дыры — это положительно заряженные частицы. Поэтому они
несут положительный заряд (электрический ток).

Таким образом, и свободные электроны, и дырки
проводить электрический ток в полупроводниках.

В проводниках отверстия незначительны. Так
свободные электроны проводят электрический ток.

Протоны также обладают способностью
проводить электрический ток. Однако протоны не могут свободно перемещаться
из одного места в другое, как электроны. Они всегда
удерживается в фиксированном положении. Итак, протоны не проводят
электрический ток.

SI
единица электрического тока

Единицей измерения электрического тока в системе СИ является
ампер, названный в честь французского физика Андре-Мари
Ампер. Электрический ток, протекающий в проводнике или
полупроводник измеряется в амперах. Ампер тоже иногда
называются усилителями или А.

Ток, протекающий через
электронный компонент (например, диод) в цепи измеряется
с помощью устройства, называемого амперметром.

Текущее
направление

Когда напряжение подается на
проводник или полупроводник, начинает течь электрический ток.

В проводниках, положительно заряженных
протоны удерживаются в фиксированном положении, а отрицательно
заряженные электроны перемещаются из одного места в другое за счет
несущий заряд. Таким образом, электроны проводят электрический ток
в проводниках.

В полупроводниках оба свободных электрона
а дыры переносят заряд из одного места в другое. Таким образом,
электроны и дырки проводят электрический ток в
полупроводники.

При подаче напряжения электроны
(отрицательные заряды) перемещаются от отрицательного конца батареи к
положительный конец батареи. Итак, электроны (отрицательные
зарядов) направление тока от отрицательного к положительному.

С другой стороны, отверстия (положительный
заряды) перемещаются от положительного конца батареи к отрицательному
конец батареи. Так дыры (положительные заряды) ток
направление от положительного к отрицательному.

Обычный
текущее направление — от положительного к отрицательному (то же, что и
текущее направление положительных зарядов).

Заряд положительно заряженного
частица (дырка) равна заряду отрицательно заряженной
частица (свободный электрон), но противоположной полярности.

Поток отрицательных зарядов в цепи
будет производить ток такой же, как поток положительных зарядов
производить. Так что не имеет значения, течет ли ток
от положительного к отрицательному или от отрицательного к положительному,
генерируемый ток будет таким же.

Общие сведения об электричестве — Узнайте об электричестве, токе, напряжении и сопротивлении

Что такое электрический ток? | Живая наука

Электрический ток — это движущийся электрический заряд. Он может принимать форму внезапного разряда статического электричества, например, разряда молнии или искры между вашим пальцем и пластиной выключателя заземления.Однако чаще, когда мы говорим об электрическом токе, мы имеем в виду более контролируемую форму электричества, вырабатываемую генераторами, батареями, солнечными элементами или топливными элементами.

Большая часть электрического заряда переносится электронами и протонами внутри атома. Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Однако протоны в основном иммобилизованы внутри атомных ядер, поэтому перенос заряда из одного места в другое выполняют электроны. Электроны в проводящем материале, таком как металл, в значительной степени могут свободно перемещаться от одного атома к другому по своим зонам проводимости, которые являются высшими электронными орбитами.По словам Серифа Урана, профессора физики в Питтсбургском государственном университете, при наличии достаточной электродвижущей силы (ЭДС) или напряжения возникает дисбаланс заряда, который может заставить электроны перемещаться по проводнику в виде электрического тока.

Хотя сравнивать электрический ток с потоком воды в трубе несколько рискованно, есть некоторые сходства, которые могут облегчить понимание. По словам Майкла Дубсона, профессора физики в Университете Колорадо Болдера, мы можем представить поток электронов в проводе как поток воды в трубе.Предостережение: в этом случае труба всегда заполнена водой. Если мы откроем клапан на одном конце, чтобы вода попала в трубу, нам не нужно ждать, пока вода дойдет до конца трубы. Мы получаем воду из другого конца почти мгновенно, потому что поступающая вода выталкивает воду, которая уже находится в трубе, к концу. Вот что происходит в случае электрического тока в проводе. Электроны проводимости уже присутствуют в проводе; нам просто нужно начать толкать электроны на одном конце, и они почти сразу же начнут течь на другом конце.

Согласно веб-сайту HyperPhysics Государственного университета Джорджии, фактическая скорость электрона в проводе составляет порядка нескольких миллионов метров в секунду, но он не движется прямо по проводу. Он подскакивает почти наугад и движется только со скоростью несколько миллиметров в секунду. Это называется дрейфовой скоростью электрона. Однако скорость передачи сигнала, когда электроны начинают выталкивать другой конец провода после того, как мы щелкаем выключателем, почти равна скорости света, которая составляет около 300 миллионов метров в секунду (186 000 миль в секунду).В случае переменного тока, когда ток меняет направление 50 или 60 раз в секунду, большая часть электронов никогда не выходит из провода.

Несбалансированность начислений может быть создана несколькими способами. Первым известным способом было создание статического заряда путем трения друг о друга двух разных материалов, например, протирания кусочка янтаря мехом животных. Затем можно создать ток, прикоснувшись янтарем к телу с меньшим зарядом или к земле. Однако этот ток имел очень высокое напряжение, очень низкую силу тока и длился всего долю секунды, поэтому его нельзя было заставить выполнять какую-либо полезную работу.

Постоянный ток

Следующим известным способом создания дисбаланса зарядов была электрохимическая батарея, изобретенная в 1800 году итальянским физиком Алессандро Вольта, в честь которого названа единица электродвижущей силы — вольт (В). Его «гальваническая куча» состояла из стопки чередующихся цинковых и медных пластин, разделенных слоями ткани, пропитанной соленой водой, и производил устойчивый источник постоянного тока (DC). Он и другие улучшили и усовершенствовали свое изобретение в течение следующих нескольких десятилетий.По данным Национального музея американской истории, «батареи привлекли внимание многих ученых и изобретателей, и к 1840-м годам они обеспечивали током новые электрические устройства, такие как электромагниты Джозефа Генри и телеграф Сэмюэля Морса».

Другие источники постоянного тока включают топливные элементы, которые объединяют кислород и водород в воду и вырабатывают электрическую энергию в процессе. Кислород и водород можно подавать в виде чистых газов или из воздуха и химического топлива, такого как спирт. Другой источник постоянного тока — фотоэлектрический или солнечный элемент.В этих устройствах фотонная энергия солнечного света поглощается электронами и преобразуется в электрическую энергию.

Переменный ток

Большая часть электроэнергии, которую мы используем, поступает в виде переменного тока из электросети. Переменный ток вырабатывается электрическими генераторами, которые работают по закону индукции Фарадея, с помощью которого изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в проводнике. В генераторах есть вращающиеся катушки из проволоки, которые проходят через магнитные поля при их вращении.Когда катушки вращаются, они открываются и закрываются относительно магнитного поля и производят электрический ток, который меняет направление на противоположное каждые пол-оборота. Ток проходит полный прямой и обратный цикл 60 раз в секунду, или 60 герц (Гц) (50 Гц в некоторых странах). Генераторы могут работать от паровых турбин, работающих на угле, природном газе, масле или ядерном реакторе. Они также могут приводиться в действие ветряными турбинами или водяными турбинами на плотинах гидроэлектростанций.

От генератора ток проходит через серию трансформаторов, где он повышается до гораздо более высокого напряжения для передачи.Причина этого в том, что диаметр проводов определяет величину тока или силы тока, которую они могут проводить без перегрева и потери энергии, но напряжение ограничивается только тем, насколько хорошо линии изолированы от земли. Интересно отметить, что ток передается только по одному проводу, а не по двум. Две стороны постоянного тока обозначены как положительная и отрицательная. Однако, поскольку полярность переменного тока меняется 60 раз в секунду, две стороны переменного тока обозначаются как горячая и заземленная.В линиях электропередачи на большие расстояния провода проходят через горячую сторону, а земля проходит через землю, замыкая цепь.

Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на силу тока, вы можете послать больше мощности по линии при той же силе тока, используя более высокое напряжение. Затем высокое напряжение понижается по мере того, как оно распределяется по сети подстанций, пока не достигает трансформатора рядом с вашим домом, где оно наконец понижается до 110 В. (В Соединенных Штатах настенные розетки и лампы работают от 110 В. при 60 Гц.В Европе почти все работает от 230 В при 50 Гц.)

Как только ток достигает конца линии, большая часть его используется одним из двух способов: либо для обеспечения тепла и света через электрическое сопротивление, либо для механического движения. через электрическую индукцию. Есть еще несколько применений — на ум приходят люминесцентные лампы и микроволновые печи — которые работают на разных принципах, но львиная доля энергии идет на устройства, основанные на сопротивлении и / или индуктивности. Фен, например, использует и то, и другое одновременно.

Это подводит нас к важной особенности электрического тока: он может выполнять работу. Он может освещать ваш дом, стирать и сушить одежду и даже поднимать гаражные ворота одним щелчком выключателя. Однако все более важной становится способность электрического тока передавать информацию, особенно в форме двоичных данных. Хотя для подключения к Интернету вашего компьютера требуется лишь небольшая часть электрического тока, скажем, электрического обогревателя, он становится все более и более важным для современной жизни.

Дополнительные ресурсы

Электрообучение | BrightRidge

Что такое электричество?
Электричество — это форма энергии, которая производит тепло и свет. Электричество также может называться «электрическая энергия».

Где начинается электричество?
Электричество начинается с атома. Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Электричество создается, когда внешняя сила заставляет электроны перемещаться от атома к атому.Поток электронов называется «электрическим током».

Что заставляет электроны двигаться?
Напряжение — это «внешняя сила», которая заставляет электроны двигаться. Напряжение — это потенциальная энергия. Потенциальная энергия обладает способностью выполнять работу. Пример потенциальной энергии — топор, который держат над деревом. Если топор упадет на кусок дерева, оно расколется. Обратите внимание на слово «если». Потенциальная энергия работает ТОЛЬКО, если это разрешено.

Что такое напряжение?

Напряжение — это «внешняя сила», которая заставляет электроны двигаться. Напряжение — это потенциальная энергия. Некоторые характеристики напряжения:

• Напряжение не видно и не слышно.
• Напряжение — это толчок или сила.
• Напряжение само по себе ничего не делает.
• Voltage может работать.
• Напряжение появляется между двумя точками.
• Напряжение есть всегда.

Какие бывают два вида электричества?

Статическое электричество возникает при дисбалансе положительно и отрицательно заряженных атомов. Затем электроны прыгают от атома к атому, высвобождая энергию. Два примера статического электричества: молния и трение ногами о ковер, а затем прикосновение к дверной ручке.

Текущее электричество — это постоянный поток электронов. Существует два вида текущего электричества: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC).При постоянном токе электроны движутся в одном направлении. Батареи вырабатывают постоянный ток. В переменном токе электроны текут в обоих направлениях. Электростанции вырабатывают переменный ток. Переменный ток (AC) — это тип электроэнергии, которую BrightRidge передает вам для использования.

Что такое проводники и изоляторы?

Проводники — это все, через что легко проходит электричество. Примеры электрических проводников — медь, алюминий и вода.В.

Данные можно ввести в любое из полей. Когда вы закончили ввод данных, щелкните количество, которое вы хотите рассчитать, в активной формуле выше. Количество не будет принудительно согласованным, пока вы не нажмете на выбор. Для неопределенных параметров будут введены значения по умолчанию, но все значения могут быть изменены.

После того, как вы рассчитали генерируемое напряжение, разумным последующим вопросом будет «Какой ток и мощность я могу получить от генератора?».Несмотря на то, что это не будет практичной геометрией генератора, она может служить
идеализация для обсуждения принципов генерации напряжения при взаимодействии с магнитным полем. Принимая это
простая геометрия, электрический ток в амперах, возникающий при перемещении провода
через магнитное поле будет определяться сопротивлением цепи, к которой он подключен.
связаны, используя закон Ома, I = V / R. Если вы сгенерировали 10 вольт и были подключены к цепи
сопротивление 1 Ом, результирующий ток будет 10 ампер, а передаваемая мощность P = VI = 10 вольт x 10
амперы = 100 Вт (см. соотношение мощности).Но бесплатного обеда не существует, и вам придется приложить больше усилий, чтобы двигаться.
провод через магнитное поле с такой скоростью — вы, по сути, торгуете механической энергией толкания
для выработки электрической энергии, всегда ограничиваясь принципом сохранения энергии. Вам придется
приложите (по крайней мере) 100 Вт механической мощности толкания, чтобы получить 100 Вт электроэнергии.
Практические генераторы почти всегда используют геометрию вращающейся катушки, а крупномасштабные генераторы энергии используют что-то вроде паровой турбины или водяной турбины, чтобы повернуть катушку провода в спираль.
магнитное поле, получающее напряжение, генерируемое с обеих сторон вращающейся катушки.

Если указанный выше генератор был подключен к цепи с сопротивлением R = Ом,

электрический ток будет I = V / R = амперы для скорости, перпендикулярной B.

Мощность, подаваемая в схему, будет P = VI = Вт.

В идеальном случае, когда не было потерь, механическая мощность P = Fv, необходимая для проталкивания провода через магнитное поле, была бы равна электрической мощности. Для указанной выше скорости требуемая сила равна

.

Идеальная минимально необходимая сила:

F = P / v = ньютоны = фунты.

Как человеческое тело использует электричество

Автор: Amber Plante

Электричество есть везде, даже в человеческом теле. Наши ячейки предназначены для проведения электрических токов. Электричество требуется нервной системе, чтобы посылать сигналы по всему телу и в мозг, позволяя нам двигаться, думать и чувствовать.

Итак, как клетки контролируют электрические токи?

Элементы нашего тела, такие как натрий, калий, кальций и магний, обладают определенным электрическим зарядом.Почти все наши клетки могут использовать эти заряженные элементы, называемые ионами, для выработки электричества.

Содержимое клетки защищено от внешней среды клеточной мембраной. Эта клеточная мембрана состоит из липидов, которые создают барьер, через который только определенные вещества могут проникнуть внутрь клетки. Мало того, что клеточная мембрана действует как барьер для молекул, она также действует как способ для клетки генерировать электрические токи. Покоящиеся клетки заряжены отрицательно изнутри, тогда как внешняя среда заряжена более положительно.Это происходит из-за небольшого дисбаланса между положительными и отрицательными ионами внутри и снаружи клетки. Клетки могут достичь разделения зарядов, позволяя заряженным ионам входить и выходить через мембрану. Поток зарядов через клеточную мембрану — это то, что генерирует электрические токи.

Клетки контролируют поток определенных заряженных элементов через мембрану с помощью белков, которые находятся на поверхности клетки и создают отверстие для прохождения определенных ионов. Эти белки называются ионными каналами.Когда клетка стимулируется, это позволяет положительным зарядам проникать в клетку через открытые ионные каналы. Затем внутренняя часть клетки становится более положительно заряженной, что вызывает дополнительные электрические токи, которые могут превращаться в электрические импульсы, называемые потенциалами действия. Наше тело использует определенные модели потенциалов действия, чтобы инициировать правильные движения, мысли и поведение.

Нарушение электрического тока может привести к болезни. Например, чтобы сердце могло перекачивать кровь, клетки должны генерировать электрические токи, которые позволяют сердечной мышце сокращаться в нужное время.Врачи могут даже наблюдать эти электрические импульсы в сердце с помощью аппарата, называемого электрокардиограммой или ЭКГ. Нерегулярные электрические токи могут помешать правильному сокращению сердечных мышц, что приведет к сердечному приступу. Это всего лишь один пример, показывающий важную роль электричества в здоровье и болезнях.

Список литературы
CrashCourse. «Нервная система, часть 2 — Действие! Потенциал! Ускоренный курс A&P №9 ». Видео на YouTube, 11:43. 2 марта 2015 г. https://www.youtube.com / watch? v = OZG8M_ldA1M.
Основы анатомии и физиологии. «Каналы с ограничением по напряжению и потенциал действия». McGraw-Hill Co., Видео. 2016. http://highered.mheducation.com/sites/0072943696/student_view0/chapter8/animation__voltage-gated_channels_and_the_action_potential__quiz_1_.html.
Нельсон, Дэвид Л. и Майкл М. Кокс. 2013. Принципы биохимии Ленингера, 6-е изд. Книга. 6-е изд. Нью-Йорк: W.H. Фриман и Ко. Doi: 10.1016 / j.jse.2011.03.016.

Как вырабатывается электроэнергия — Электростанции и производство электроэнергии

Все гидроэлектростанции Дравске электрарне Марибор на реке Драва (кроме гидроэлектростанций Златоличье и Формин) в основном построены таким образом, что русло реки перекрывается плотиной. железобетонный барьер.В шлагбауме установлены турбины и генераторы. Каждая турбина соединена с генератором вертикальным валом.

Преграды также имеют водосливы со шлюзами, которые используются для выпуска излишков воды через преграду. За барьером образуется резервуар, и в то же время высота барьера определяет каплю воды, необходимую для питания турбины. Мощность турбины зависит от размера капли воды и количества воды, протекающей через турбину.Вода приводит в движение турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие электрогенератор, вырабатывающий электричество по принципу электромагнитной индукции.

Производство электричества по принципу электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция основана на том факте, что каждое вещество состоит из атомов, содержащих субатомные частицы с электрическим зарядом. У атома есть ядро ​​с протонами и нейтронами, а также электроны, которые связаны с ядром.Электроны заряжены отрицательно, а ядро ​​содержит такое же количество положительно заряженных протонов. Внешне атом электрически нейтрален. Субатомные частицы с одинаковым электрическим зарядом отскакивают друг от друга, а частицы с разным зарядом притягиваются друг к другу. Что отличает материалы, так это то, насколько тесно электроны связаны с ядрами в своих атомах. Вещества, в которых электроны прочно связаны с ядрами, являются электрическими изоляторами. У них нет свободных электронов и они не проводят электрический ток.

Однако электрические проводники — это вещества, в которых электроны движутся свободно (у них есть свободные электроны). Если такой проводник (обычно медный провод) помещается в магнитное поле и перемещается в сторону от направления поля, к электронам в проводнике прикладывается сила, толкая их к одному концу проводника (в зависимости от направление движения). Так образуется избыток электронов. Поскольку они имеют отрицательный электрический заряд, мы говорим об отрицательном электрическом потенциале.Такой же дефицит электронов создается на другом конце проводника, который имеет положительный потенциал. Разница между потенциалами равна напряжению и называется индуцированным напряжением ° С. Он индуцирует электрический ток, если обе стороны проводника соединены проводом.

Следовательно, электрический ток — это направленное движение электронов по проводнику от точки избытка электронов к точке их дефицита. Сила электрического тока зависит от величины индуцированного напряжения и электрического сопротивления соединительного проводника.Чем длиннее проводник, тем выше наведенное напряжение, тем сильнее магнитное поле и тем больше скорость движения проводника. Неважно, движется ли проводник в магнитном поле или он статичен, а магнитное поле движется. Описанный принцип электромагнитной индукции используется в электрических генераторах для производства электроэнергии.

Электрогенераторы состоят из статора (неподвижная часть), ротора (вращающаяся часть) и электромагнитных полюсов, установленных на краю ротора.Статор сделан из железа. В статоре размещены электрические проводники, которые соединены друг с другом таким образом, что наведенные напряжения в отдельных проводниках складываются. Такая система соединенных проводов называется обмоткой статора. Магнитные полюса установлены на торце ротора. Чередуются северный и южный полюс. Магнитное поле создается между северным и южным полюсами через воздушный паз и статор, так что обмотка находится в магнитном поле. При вращении ротора устанавливается движение магнитного поля относительно проводников обмотки.В обмотке индуцируется электрическое напряжение , которое можно измерить между началом и концом обмотки. Начало и конец обмотки называются выводами генератора. К этим клеммам подключаются электрические проводники, и получаемое электричество передается пользователям.

Передача электроэнергии

В первые дни использования электроэнергии электростанции были небольшими по сравнению с сегодняшними, и электрические генераторы непосредственно обеспечивали электроэнергией находящихся поблизости потребителей.На них подавалось напряжение, которое не могло быть слишком высоким из-за опасности поражения людей электрическим током. Первые генераторы производили так называемый постоянный ток, в котором ток всегда течет в одном и том же направлении.

Использование электричества из-за ряда преимуществ быстро росло, и стала очевидной потребность в более мощных станциях, которые можно было бы строить рядом с подходящими ресурсами (реки, угольные шахты). Однако проблема передачи электроэнергии удаленным пользователям осталась, поскольку потребовались бы чрезвычайно большие участки линий электропередачи, чтобы минимизировать уровень потерь энергии во время передачи.

С изобретением переменного тока, , в котором направление тока изменяется (это происходит 50 раз в секунду в нашей сети), и многополярных генераторов, которые также работают в соответствии с описанным принципом электромагнитной индукции, использование электроэнергии значительно расширилась. Переменный ток позволяет относительно легко изменять напряжение с помощью трансформатора . Чем выше напряжение, тем меньше энергии теряется при передаче.В настоящее время напряжение, создаваемое генератором, преобразуется в более высокое напряжение и передается по линиям передачи с напряжениями 110 кВ, 400 кВ и выше на большие расстояния. Чтобы обеспечить питание пользователей, напряжение затем преобразуется в более низкие значения, вплоть до напряжения, используемого в домашних условиях (220 В или 380 В для трехфазных подключений).