Магнітні матеріали та їхнє застосування

Магнітні властивості атомів

На основі експериментальних досліджень і теоретичних узагальнень, можна зробити висновок. щоєдиними джерелами магнітногополя у вакуумі є рухомі вільні електричні заряди або струми в провідниках. У речовині, крім цього, магнітне поле створюється рухомими електрично зарядженими частинками всередині самих атомів та молекул. Це підтверджує ідею Ампера, що магнетизм речовини можна пояснити наявністю мікроскопічних електричних струмів, рівномірнорозподілених в усьомуоб’ємі речовини.

Як відомо, що речовина складається з частинок і ці частинки перебувають у безперервному русі і з цими рухами пов’язані механічний та магнітний моменти. За сучасними поглядами магнітні властивості речовини зумовлені трьома причинами:

1) орбітальним магнітним моментом електронів, який виникає внаслідок їхніх рухів навколоядер;

2) магнітним моментом електронів, який перебуває у певному співвідношенні з їхнім власним механічним моментом – спіном. Спіном електрона називаютьйоговласний механічний момент імпульсу;

3) власним магнітним моментом атомних ядер

2. Види магнетиків

Під час внесення довільної речовини у зовнішнє магнітне поле вона намагнічується. Речовини в зовнішньому магнітному полі змінюються так, що самі стають джерелами магнітногополя, їх називають магнетиками. При цьому в кожній точці простору, де є речовина, індукція магнітного поля дорівнює векторній сумі індукцій зовнішнього магнітного поля і магнітного поля магнетика. Набуття магнітних властивостей речовиною під дією магнітного поля називають намагнічуванням магнетика. Магнетики поділяють на три класи: діамагнетики, парамагнетики і феромагнетики.

Більшість речовин у зовнішньому полі намагнічуються слабко (діа-і парамагнетики). Сильні магнітні властивості мають тільки феромагнітні речовини (залізо, нікель, кобальт, їхні сплави). Значна кількість магнетиків після припинення дії зовнішнього магнітного поля втрачає намагнічення. Однак є речовини, в яких намагнічення залишається на довгий час, і тільки механічними діями або нагріванням їх можна розмагнітити. Такі намагнічені тіла називають постійними магнітами.

3. Вектор намагніченості. Магнітна проникність

Рівень взаємодії речовини і поля описує фізична величина — магнітна проникність. Вона дорівнює відношенню магнітної індукції поля в речовині В до магнітної індукціїзовнішньогополя В0. Магнітна проникність є безрозмірноювеличиною.

4. Діамагнетики

Під час внесення діамагнетиків у зовнішнє магнітне поле в електронних оболонках атомів, за законом електромагнітної індукції, виникають індуковані колові струми. Ці струми створюють додаткові магнітні моменти атомів, напрямлені за законом Ленца, проти напряму зовнішньогомагнітногополя.

Речовини, в атомах яких орбітальні і спінові магнітні моменти електронів, якщо немає зовнішнього магнітного поля, є взаємно скомпенсованими, називають діамагнетиками.

Властивість речовин намагнічуватись протилежно до зовнішнього магнітного поля називають діамагнетизмом. Діамагнетизм, або діамагнітний ефект, властивий всім речовинам, оскільки він пов’язаний з виникненням додаткових колових рухів електронів в атомах речовин і зміною їхньоїчастоти обертання під часвнесення в зовнішнє поле.

5. Парамагнетики

Якщо над полюсними наконечниками закріпити на плечі терезів алюмінієву кульку, то при замиканні кола живлення вона втягуватиметься в простір, демагнітнаіндукціяматимебільшезначення (мал. 6.27).

Подібним чином буде поводити себе і розчин хлорного заліза в воді. Якщо одне коліно U-подібної трубки з розчином розмістити так, що рівень рідини знаходитиметься нижче полюсних наконечників, то при появі струму в котушках електромагніта рідина буде втягуватися в простір між полюсами (мал. 6.28).

Такі явища називають парамагнітними, а самі речовини — парамагнетиками.

поле, ніби магнітні стрілочки повертаються під дією зовнішнього магнітногополя, збільшуючи йогомагнітнуіндукцію.

6. Феромагнетики

Речовини, які сильно взаємодіють з магнітним полем, назвали феромагнетиками. З чистих речовин чітко виражені феромагнітні властивості мають лише залізо, нікель, кобальт і гадоліній. Проте існує дуже багато штучних феромагнетиків, виготовлених на основі навіть не феромагнітних речовин. Серед нихособливопоширені — ферити.

Відмітною ознакою феромагнетиків є їх дуже велика магнітна проникність. Так, чисте залізо, тривалий час відпалене у водні, має магнітнупроникність до 340 000.

Висока магнітна проникність феромагнетиків пояснюється особливостями їх кристалічної будови. Маючи певні особливості в забудові електронних орбіт, атоми феромагнетика об'єднуються так, що вся речовина поділяється на домени. Домени — це області феромагнетики, в яких атоми розміщені впорядковано. Така область нагадує маленький постійний магнітик. Він має власне магнітне поле як результат накладання магнітних полів усіх атомів, що входятьв домен.

Багато властивостей феромагнетиків є похідними від їх кристалічної будови. При внесенні феромагнетиків у магнітне поле фізичні зміни в них відбуваються на рівні кристалічної ґратки. Тому вони мають специфічні магнітні властивості і складаютьокремий клас.

Найтиповішою властивістю феромагнетиків є нелінійний характер процесу їх намагнічення. Якщо феромагнетик внести в магнітне поле і поступово збільшувати магнітну індукцію цього поля, то магнітна індукція у феромагнетику не буде пропорційною зовнішній. Це добре видно на графіку мал. 6.31. При поступовому збільшенні магнітної індукції зовнішнього поля магнітна індукція у феромагнетику спочатку зростає повільно (ОА), потім — швидше (АВ), а потім знову зростання уповільнюється (ВС). Лише при досягненні так званого насичення (CD) магнітна індукція в феромагнетику зростає лінійно. З такого складного характеру намагнічення можна зробити висновок, що магнітна проникність не залишається постійною.

Кристалічна структура феромагнетика, як і будь-якого кристала, залежить від температури. При збільшенні внутрішньої енергії температураферомагнетиказростаєізмінюються йогомагнітні властивості.

7. Магнітні матеріали та їх застосування

При взаємодії з магнітним полем змінюються не тільки магнітні властивості речовин, а й інші — механічні, теплові, електричні, оптичні і навіть хімічні.

Одним із цікавих прикладів використання дії магнітного поля на речовину є «омагнічення» води. Пройшовши крізь магнітне поле, вода набуває нових властивостей. Така вода не утворює накипу в парових котлах, що дає змогу використовувати її без додаткового хімічного оброблення. Бетон, замішаний на «омагніченій» воді, міцніший, ніж звичайний.

Явище підсилення магнітногополя феромагнетиками використовується в різних електротехнічних приладах: електромагнітних кранах, реле, електродвигунах, трансформаторах. Для цього використовуються спеціальні сортиелектротехнічноїсталі.

Вако уявити сучасну радіоелектроніку без елементів із штучних феромагнетиків -феритів. З них виготовляються антени, осердя коливальних контурівта трансформаторів. Набули поширенняферитовіпостійнімагніти.

Без магнітних матеріалів не можна уявити сучасні методи запису інформації. Типовим прикладом пристрою для запису на магнітній плівці є магнітофон . У цьому апараті використовується спеціальна плівка, покрита тонким шаром феромагнітногоматеріалу. Змінний електричний струм відпідсилювача надходить у спеціальну записуючу головку, що має котушку з феромагнітним осердям, в якому е вузька щілина. При проходженні струму котушкоюв щілиніголовки з'являється магнітнеполе, магнітна індукціяякого змінюється. Коли плівка проходить над головкою, на ній залишається низка намагнічених ділянок, відповідних змінному струму, який подається в головку.

Подібни фізичний процес відбувається під час запису інформації на диску вінчестеравсучасномукомп'ютері.

При відтворенні записаної інформації плівка здійснює рух над магнітною головкою, в якій завдяки електромагнітній індукції збуджується змінний електричний струм, котрий після підсилення в ньому підсилювачі подаєтьсяна гучномовець чи іншийаналізуючий прилад.

Народження енергетики відбулося декілька мільйонів років тому, коли люди навчилися використовувати вогонь. Вогонь давав їм тепло і світло, був джерелом натхнення і оптимізму, зброєю проти ворогів і диких звірів, лікувальним засобом, помічником в землеробстві, консервантом продуктів, технологічним засобом і т.д.  Красивий міф про Прометея, що дарував людям вогонь, з'явився в Древній Греції значно пізніше того, як у багатьох частинах світу були освоєні методи досить витонченого поводження з вогнем, його отриманням і гасінням, збереженням вогню і раціональним використанням палива.  Протягом багатьох років вогонь підтримувався шляхом спалювання рослинних енергоносіїв (деревини, чагарників, очерету, трави, сухих водоростей і т.п.), а потім була виявлена можливість використовувати для підтримки вогню викопні речовини: кам'яне вугілля, нафту, сланці, торф. < br /> На сьогоднішній день енергія залишається головною складовою життя людини. Вона дає можливість створювати різні матеріали, є одним з головних чинників при розробці нових технологій. Простіше кажучи, без освоєння різних видів енергії людина не здатна повноцінно існувати.  Виробництво електроенергії.  Типи електростанцій.  Теплова електростанція (ТЕС), електростанція, що виробляє електричну енергію в результаті перетворення теплової енергії, що виділяється при спалюванні органічного палива. Перші ТЕС з'явилися в кінці 19 століття і одержали переважне поширення. У середині 70-х років 20 століття ТЕС - основний вид електричної станцій.  На теплових електростанціях хімічна енергія палива перетворюється спочатку в механічну, а потім в електричну. Паливом для такої електростанції можуть служити вугілля, торф, газ, горючі сланці, мазут.  Теплові електричні станції поділяють на конденсаційні (КЕР), призначені для вироблення тільки електричної енергії, і теплоелектроцентралі (ТЕЦ), що виробляють крім електричної теплову енергію у вигляді гарячої води і пари. Великі КЕС районного значення отримали назву державних районних електростанцій (ДРЕС).  Найпростіша принципова схема КЕР, що працює на вугіллі, представлена на малюнку. Вугілля подається в паливний бункер 1, а з нього - у дробильно установку 2, де перетворюється на пил. Вугільний пил надходить у топку парогенератора (парового котла) 3, що має систему трубок, в яких циркулює хімічно очищена вода, звана живильної. У котлі вода нагрівається, випаровується, а що утворився насичений пар доводиться до температури 400-650 ° С та під тиском 3-24 МПа надходить по паропроводу в парову турбіну 4. Параметри пара залежать від потужності агрегатів.  Теплові конденсаційні електростанції мають невисокий ККД (30 - 40%), тому що більша частина енергії втрачається та відходять топковим газами і охолоджуючої водою конденсатора. Споруджувати КЕС вигідно в безпосередній близькості від місць видобутку палива. При цьому споживачі електроенергії можуть знаходитися на значній відстані від станції.  Теплоелектроцентраль відрізняється від конденсаційної станції встановленою на ній спеціальної теплофікаційної турбіною з відбором пари. На ТЕЦ одна частина пара повністю використовується в турбіні для вироблення електроенергії в генераторі 5 і потім надходить у конденсатор 6, а інша, що має велику температуру і тиск, відбирається від проміжної ступені турбіни і використовується для теплопостачання. Конденсат насосом 7 через деаератор 8 і далі живильним насосом 9 подається в парогенератор. Кількість відібраного пара залежить від потреби підприємств у тепловій енергії.  Коефіцієнт корисної дії ТЕЦ досягає 60-70%. Такі станції будують зазвичай поблизу споживачів - промислових підприємств або житлових масивів. Найчастіше вони працюють на привізній паливі.  Значно меншого поширення отримали теплові станції з газотурбінними (ГТеС), парогазовими (ПГЕС) і дизельними установками.  У камері згоряння ГТеС спалюють газ або рідке паливо; продукти згорання з температурою 750-900? З надходять в газову турбіну, що обертає електрогенератор. Кпд таких ТЕС зазвичай становить 26-28%, потужність - до кількох сотень МВт. ГТеС звичайно застосовуються для покриття піків електричного навантаження. Кпд ПГЕС може досягати 42 - 43%.  Найбільш економічними є великі теплові двигуни електростанції (скорочено ТЕС). Більшість ТЕС нашої країни використовують як паливо вугільний пил. Для вироблення 1 кВт-год електроенергії витрачається кілька сот грамів вугілля. У паровому котлі понад 90% виділеної паливом енергії передається пару. У турбіні кінетична енергія струменів пари передається ротору. Вал турбіни жорстко з'єднаний з валом генератора.  Сучасні парові турбіни для ТЕС - досить досконалі, швидкохідні, високо-машини з великим ресурсом роботи. Їх потужність в одновального виконанні досягає 1 млн. 200 тис. кВт, і це не є межею. Такі машини завжди бувають багатоступеневими, тобто мають зазвичай кілька десятків дисків з робочими лопатками і таку ж кількість, перед кожним диском, груп сопел, через які протікає струмінь пари. Тиск і температура пари поступово знижуються.  З курсу фізики відомо, що ККД теплових двигунів збільшується із зростанням початкової температури робочого тіла. Тому що надходить у турбіну пар доводять до високих параметрів: температури - майже до 550 ° С і тиск - до 25 МПа. Коефіцієнт корисної дії ТЕС досягає 40%. Велика частина енергії втрачається разом з гарячим відпрацьованим парою.  Гідроелектричної станція (ГЕС), комплекс споруд та обладнання, за допомогою яких енергія потоку води перетворюється в електричну енергію. ГЕС складається з послідовного ланцюга гідротехнічних споруд, що забезпечують необхідну концентрацію потоку води та створення напору, та енергетичного обладнання, що перетворює енергію рухається під напором води в механічну енергію обертання, яка, в свою чергу, перетворюється в електричну енергію.  Натиск ГЕС створюється концентрацією падіння річки на використовуваному ділянці греблею, або деривації, або греблею і деривації спільно. Основне енергетичне обладнання ГЕС розміщується в будівлі ГЕС: у машинному залі електростанції - гідроагрегати, допоміжне обладнання, пристрої автоматичного управління та контролю; в центральному посту управління - пульт оператора-диспетчера або автооператором гідроелектростанції. Підвищує, трансформаторна підстанція розміщується як всередині будівлі ГЕС, так і в окремих будівлях або на відкритих майданчиках. Розподільні пристрої найчастіше розташовуються на відкритому майданчику. Будівля ГЕС може бути розділене на секції з одним або кількома агрегатами і допоміжним обладнанням, відокремлені від суміжних частин будівлі. При будівлі ГЕС або всередині нього створюється монтажна майданчик для складання і ремонту різного устаткування і для допоміжних операцій з обслуговування ГЕС.  За встановленої потужності (в МВт) розрізняють ГЕС потужні (понад 250), середні (до 25) і малі (до 5). Потужність ГЕС залежить від натиску (різниці рівнів верхнього та нижнього б'єфу), витрати води, що використовується в гідротурбін, і ККД гідроагрегату. З ряду причин (внаслідок, наприклад, сезонних змін рівня води у водоймах, мінливості навантаження енергосистеми, ремонту гідроагрегатів або гідротехнічних споруд і т. п.) натиск і витрата води безперервно змінюються, а, крім того, змінюється витрата при регулюванні потужності ГЕС. Розрізняють річний, тижневий і добовий цикли режиму роботи ГЕС.  За максимально використовується напору ГЕС діляться на високонапірні (більше 60 м), средненапорние (від 25 до 60 м) і низьконапірні (від 3 до 25 м). На рівнинних річках напір рідко перевищують 100 м, в гірських умовах за допомогою греблі можна створювати напір до 300 м і більше, а за допомогою деривації - до 1500 м. Підрозділ ГЕС за використовуваному напору має приблизний, умовний характер.  За схемою використання водних ресурсів і концентрації напорів ГЕС звичайно підрозділяють на руслових, пріплотінние, дериваційні с напірної і безнапірної деривації, змішані, гідроакумулюючі і приливні.  У руслових і пріплотінних ГЕС напір води створюється греблею, перегороджують річку і підносить рівень води у верхньому б'єфі. При цьому неминуче деякий затоплення долини річки. Русловий і пріплотіннис ГЕС будують і на рівнинних багатоводних річках і на гірських річках, у вузьких стислих долинах. Для руслових ГЕС характерні натиску до 30-40 м.  При більш високих напору виявляється недоцільним передавати на будівлю ГЕС гідростатічное тиск води. У цьому випадку застосовується тип греблею ГЕС, у якої напірний фронт на всьому протязі перекривається греблею, а будівля ГЕС розташовується за греблею, примикає до нижнього б'єфу.  Інший вигляд компонування пріплотінная ГЕС відповідає гірських умов при порівняно малих витратах річки.  У дериваційних ГЕС концентрація падіння річки створюється за допомогою деривації; вода на початку використовуваного ділянки річки відводиться з річкового русла водоводом, з ухилом, значно меншим, ніж середній ухил річки на цій ділянці і з випрямлення вигинів і поворотів русла. Кінець деривації підводять до місця розташування будівлі ГЕС. Відпрацьована вода або повертається в річку, або підводиться до наступної дериваційне ГЕС. Деривації вигідна тоді, коли ухил річки великий.  Особливе місце серед ГЕС займають гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС) і приливні електростанції (ВЕЗ). Спорудження ГАЕС зумовлено зростанням потреби в пікової потужності у великих енергетичних системах, що і визначає генераторну потужність, що вимагається для покриття пікових навантажень. Здатність ГАЕС акумулювати енергію заснована на тому, що вільна в енергосистемі в деякий період часу електрична енергія використовується агрегатами ГАЕС, які, працюючи в режимі насоса, нагнітають воду з водосховища у верхній акумулює басейн. У період піків навантаження акумулюється енергія повертається в енергосистему (вода з верхнього басейну надходить у напірний трубопровід і обертає гідроагрегати, що працюють в режимі генератора струму).  ПЕС перетворюють енергію морських припливів в електричну. Електроенергія приливних ГЕС в силу деяких особливостей, пов'язаних з періодичністю характером припливів і відливів, може бути використана в енергосистемах лише спільно з енергією регулюють електростанцій, які заповнюють провали потужності приливних електростанцій протягом доби або місяців.  Найважливіша особливість гідроенергетичних ресурсів у порівнянні з паливно-енергетичними ресурсами - їх безперервна поновлювані. Відсутність потреби в паливі для ГЕС визначає низьку собівартість виробленої на ГЕС електроенергії. Тому спорудження ГЕС, незважаючи на значні, питомі капіталовкладення на 1 кВт установленої потужності і тривалі терміни будівництва, надавалося і надається велике значення, особливо коли це пов'язано з розміщенням електроємна виробництв.    Атомна електростанція (АЕС), електростанція, в якій атомна (ядерна) енергія перетворюється в електричну. Генератором енергії на АЕС є атомний реактор. Тепло, яке виділяється в реакторі внаслідок ланцюгової реакції поділу ядер деяких важких елементів, потім так само, як і на звичайних теплових електростанціях (ТЕС), перетворюється в електроенергію. На відміну від ТЕС, що працюють на органічному паливі, АЕС працює на ядерному пальному (в основі 233U, 235U, 239Pu). Встановлено, що світові енергетичні ресурси ядерного пального (уран, плутоній тощо) істотно перевищують енергоресурси природних запасів органічного, палива (нафта, вугілля, природний газ та ін.) Це відкриває широкі перспективи для задоволення швидко зростаючих потреб у паливі. Крім того, необхідно враховувати всі збільшується обсяг споживання вугілля і нафти для технологічних цілей світової хімічної промисловості, яка стає серйозним конкурентом теплових електростанцій. Незважаючи на відкриття нових родовищ органічного палива та вдосконалення способів його видобутку, у світі спостерігається тенденція до відносного, збільшення його вартості. Це створює найбільш важкі умови для країн, що мають обмежені запаси палива органічного походження. Очевидна необхідність якнайшвидшого розвитку атомної енергетики, яка вже посідає помітне місце в енергетичному балансі ряду промислових країн світу.  Принципова схема АЕС з ядерним реактором, що має водяне охолодження, наведено на рис. 2. Тепло, що виділяється в активній зоні реактора теплоносієм, вбирає водою 1-го контуру, яка прокачується через реактор циркуляційним насосом. Нагріта вода з реактора надходить у теплообмінник (парогенератор) 3, де передає тепло, отримане в реакторі воді 2-го контуру. Вода 2-го контуру випаровується в парогенераторі, і утворюється пара, який потім надходить у турбіну 4.      Найбільш часто на АЕС застосовують 4 типу реакторів на теплових нейтронах:  1) водо-водяні з звичайною водою як сповільнювач і теплоносія;  2) графітоводние з водяним теплоносієм і графітовим сповільнювачем;  3) важководяний з водяним теплоносієм і важкою водою як сповільнювач;  4) графіто - газові з газовим теплоносієм і графітовим уповільнювачем.  Вибір переважно застосовується типу реактора визначається головним чином накопиченим досвідом у реактороносітеле, а також наявністю необхідного промислового устаткування, сировинних запасів і т. д.  До реактору і обслуговуючим його систем відносяться: власне реактор з біологічної захистом, теплообмінники, насоси або газодувние установки, що здійснюють циркуляцію теплоносія, трубопроводи та арматура циркуляції контуру, пристрої для перезавантаження ядерного пального, системи спеціальної вентиляції, аварійного розхолоджування та ін  Для запобігання персоналу АЕС від радіаційного опромінення реактор оточують біологічної захистом, основним матеріалом для якої служать бетон, вода, серпантинових пісок. Обладнання реакторного контуру має бути повністю герметичним. Передбачається система контролю місць можливого витоку теплоносія, вживають заходів, щоб поява не щільності і розривів контуру не призводило до радіоактивних викидів та забруднення приміщень АЕС і навколишньої місцевості. Радіоактивний повітря і невелика кількість пари теплоносія, обумовлене наявністю підтікання з контуру, видаляють з необслуговуваних приміщень АЕС спеціальною системою вентиляції, в якій для виключення можливості забруднення атмосфери передбачені очисні фільтри і газгольдери витримки. За виконанням правил радіаційної безпеки персоналом АЕС стежить служба дозиметричного контролю.  Наявність біологічного захисту, систем спеціальної вентиляції та аварійного розхолоджування та служби дозиметричного контролю дозволяє повністю забезпечити обслуговуючий персонал АЕС від шкідливих впливів радіоактивного опромінення.  АЕС, що є найбільш сучасним видом електростанцій, мають ряд істотних переваг перед іншими видами електростанцій: при нормальних умовах функціонування вони абсолютно не забруднюють навколишнє середовище, не вимагають прив'язки до джерела сировини і відповідно можуть бути розміщені практично скрізь. Нові енергоблоки мають потужність практично рівну потужності середньої ГЕС, однак коефіцієнт використання встановленої потужності на АЕС (80%) значно перевищує цей показник у ГЕС або ТЕС.  Значних недоліків АЕС за нормальних умов функціонування практично не мають. Однак не можна не помітити небезпеку АЕС при можливих форс-мажорних обставин: землетруси, урагани, і т. п. - тут старі моделі енергоблоків становлять потенційну небезпеку радіаційного зараження територій через неконтрольоване перегріву реактора.  Альтернативні джерела енергії.  Енергія сонця.  Останнім часом інтерес до проблеми використання солн?? чной енергії різко зріс, адже потенційні можливості енергетики, заснованої на використання безпосереднього сонячного випромінювання, надзвичайно великі.  Найпростіший колектор сонячного випромінювання являє собою темна металевий (як правило, алюмінієвий) лист, усередині якого розташовуються труби з циркулюючої в ній рідиною. Нагріта за рахунок сонячної енергії, поглиненої колектором, рідина надходить для безпосереднього використання.  Сонячна енергетика відноситься до найбільш матеріаломістким видів виробництва енергії. Великомасштабне використання сонячної енергії спричиняє гігантське збільшення потреби в матеріалах, а, отже, і в трудових ресурсах для видобутку сировини, її збагачення, отримання матеріалів, виготовлення геліостати, колекторів, іншої апаратури, їх перевезення.  Поки що електрична енергія, породжена сонячними променями, обходиться набагато дорожче, ніж одержувана традиційними способами. Вчені сподіваються, що експерименти, які вони проведуть на дослідних установках і станціях, допоможуть вирішити не тільки технічні, але й економічні проблеми.  Вітрова енергія.  Величезна енергія рухомих повітряних мас. Запаси енергії вітру більш ніж в сто разів перевищують запаси гідроенергії всіх річок планети. Постійно і всюди на землі дмуть вітри. Кліматичні умови дозволяють розвивати вітроенергетику на величезній території.  Але в наші дні двигуни, що використовують вітер, покривають всього одну тисячну світових потреб в енергії. Тому до створення конструкцій вітроколеса-серця будь-якої вітроенергетичної установки залучаються фахівці-літакобудівники, які вміють вибрати найбільш доцільний профіль лопаті, досліджувати його в аеродинамічній трубі. Зусиллями вчених та інженерів створено найрізноманітніші конструкції сучасних вітрових установок.  Енергія Землі.  Здавна люди знають про стихійні прояви гігантської енергії, таящейся в надрах земної кулі. Пам'ять людства зберігає перекази про катастрофічних виверженнях вулканів, що забрали мільйони людських життів, невпізнанно змінили вигляд багатьох місць на Землі. Потужність виверження навіть порівняно невеликого вулкану колосальна, вона багато разів перевищує потужність найбільших енергетичних установок, створених руками людини. Правда, про безпосереднє використання енергії вулканічних вивержень говорити не доводиться, немає поки в людей можливостей приборкати цю непокірну стихію.  Енергія Землі придатна не тільки для опалення приміщень, як це відбувається в Ісландії, але і для отримання електроенергії. Вже давно працюють електростанції, що використовують гарячі підземні джерела. Перша така електростанція, зовсім ще малопотужна, була побудована в 1904 році в невеликому італійському містечку Лардерелло. Поступово потужність електростанції зростала, в дію вступали всі нові агрегати, використовувалися нові джерела гарячої води, і в наші дні потужність станції досягла вже значної величини-360 тисяч кіловат.  Передача електроенергії.  Трансформатори.  Ви придбали холодильник ЗІЛ. Продавець вас попередив, що холодильник розрахований на напругу в мережі 220 В. А у вас у будинку мережеве напругу 127 В. безвихідне становище? Анітрохи. Просто прийдеться зробити додаткову витрату і придбати трансформатор.  Трансформатор - дуже простий пристрій, що дозволяє, як підвищувати, так і знижувати напругу. Перетворення змінного струму здійснюється за допомогою трансформаторів. Вперше трансформатори були використані в 1878 р. російським вченим П. Н. Яблочкова для живлення винайдених їм «електричних свічок» - нового в той час джерела світла. Ідея П. Н. Яблочкова була розвинена співробітником Московського університету І. Ф. Усагіним, сконструювали вдосконалені трансформатори.  Трансформатор складається з замкнутого залізного осердя, на який надіті два (іноді й більше) котушки з дротяними обмотками (рис. 1). Одна з обмоток, яка називається первинною, підключається до джерела змінної напруги. Друга обмотка, до якої приєднують «навантаження», тобто прилади та пристрої, що споживають електроенергію, називається вторинною.  Схема пристрою трансформатора з двома обмотками наведена на малюнку 2, а прийнята для нього умовне позначення Дія трансформатора засновано на явищі електромагнітної індукції. При проходженні змінного струму по первинній обмотці в залізному сердечнику з'являється змінний магнітний потік, який збуджує ЕРС індукції в кожній обмотці. Причому миттєве значення ЕРС індукції е в будь-якому витку первинної або вторинної обмотки відповідно до закону Фарадея визначається формулою:  е = -? Ф /? t  Якщо Ф = Ф0 соs? T, то                           е =? Ф0 sin? T, або   е = E0 sin? t,  де E0 =? Ф0 - амплітуда ЕРС в одному витку.  У первинній обмотці, яка має п1 витків, повна ЕРС індукції e1 дорівнює п1е.  У вторинній обмотці повна ЕРС. е2 дорівнює п2е, де п2 - число витків цієї обмотки.  Звідси випливає, що  e1 е2 = п1 п2. (1)  Сума напруги u1, доданої до первинній обмотці, і ЕРС e1 повинна дорівнювати падіння напруги в первинній обмотці:  u1 + e1 = i1 R1, де R1 - активний опір обмотки, а i1 - сила струму в ній. Дане рівняння безпосередньо випливає із загального рівняння. Зазвичай активний опір обмотки мало і членом i1 R1 можна знехтувати. Тому          u1? - E1. (2)  При розімкнутого вторинній обмотці трансформатора струм в ній не тече, і має місце співвідношення:  u2? - E2. (3)  Так як миттєві значення ЕРС e1 та e2 змінюються синфазно, то їхнє ставлення у формулі (1) можна замінити відношенням діючих значень E1 та E2 цих ЕРС або, з огляду на рівності (2) і (3), ставленням діючих значень напруг U1 та U2. < br />    U1/U2 = E1/E2 = n1/n2 = k. (4)  Величина k називається коефіцієнтом трансформації. Якщо k> 1, то трансформатор є знижуючим, при k  При замиканні ланцюга вторинної обмотки в ній тече струм. Тоді співвідношення u2? - E2 вже не виконується точно, і відповідно зв'язок між U1 і U2 стає більш складною, ніж у рівнянні (4).  Відповідно до закону збереження енергії, потужність в первинному ланцюзі повинна дорівнювати потужності у вторинній цепи:         U1I1 = U2I2, (5)  де I1 та I2 - діючі значення сили в первинній та вторинній обмотках.  Звідси випливає, що         U1/U2 = I1/I2. (6)  Це означає, що, підвищуючи за допомогою трансформатора напругу в кілька разів, ми в стільки ж разів зменшуємо силу струму (і навпаки).  Внаслідок неминучих втрат енергії на виділення тепла в обмотках і залізному сердечнику рівняння (5) і (6) виконуються наближено. Проте в сучасних потужних трансформаторах сумарні втрати не перевищують 2-3%.  У життєвій практиці часто доводиться мати справу з трансформаторами. Крім тих трансформаторів, якими ми користуємося волею-неволею через те, що промислові прилади розраховані на одне напруга, а в міській мережі використовується інше, - крім них доводиться мати справу з бобінах автомобіля. Бобіна - це підвищує трансформатор. Для створення іскри, підпалює робочу суміш, потрібна висока напруга, яку ми й одержуємо від акумулятора автомобіля, попередньо перетворивши постійний струм акумулятора в змінний за допомогою переривника. Неважко здогадатися, що з точністю до втрат енергії, що йде на нагрівання трансформатора, при підвищенні напруги зменшується сила струму, і навпаки.  Для зварювальних апаратів вимагаються понижуючі трансформатори. Для зварювання потрібні дуже сильні струми, і трансформатор зварювального апарата має усього лише один вихідний виток.  Ви, напевно, звертали увагу, що осердя трансформатора виготовляють з тонких листків сталі. Це зроблено для того, щоб не втрачати енергії при перетворенні напруги. У листовому матеріалі вихрові струми будуть грати меншу роль, ніж у суцільному.  Удома ви маєте справу з маленькими трансформаторами. Що ж до потужних трансформаторів, то вони являють собою величезні споруди. У цих випадках сердечник з обмотками поміщений в бак, заповнений охолоджуючим маслом.   Передача електроенергії  Споживачі електроенергії існують всюди. Виробляється ж вона в порівняно деяких місцях, близьких до джерел паливних і гідроресурсів. Тому виникає необхідність передачі електроенергії на відстані, що досягають іноді сотень кілометрів.  Але передача електроенергії на великі відстані зв'язана з помітними втратами. Справа в тому, що, протікаючи по лініях електропередачі, струм нагріває їх. Відповідно до закону Джоуля - Ленца, енергії, що витрачається на нагрівання проводів лінії, визначається формулою         Q = I2Rt  де R - опір лінії. При великій довжині лінії передача енергії може стати взагалі економічно невигідною. Для зменшення втрат можна, звичайно, йти по шляху зменшення опору R лінії за допомогою збільшення площі поперечного перерізу дротів. Але для зменшення R, приміром, у 100 разів потрібно збільшити масу проводу також у 100 разів. Ясно, що не можна допустити такої великої витрати дорогого кольорового металу, не говорячи вже про труднощів закріплення важких проводів на високих щоглах і т.п. Тому втрати енергії в лінії знижують іншим шляхом: зменшенням струму в лінії. Наприклад, зменшення струму в 10 разів зменшує кількість виділився в провідниках тепла в 100 разів, тобто досягається той же ефект, що і від сторазового обважнення дроти.  Тому що потужність струму пропорційна добутку сили струму на напругу, то для збереження переданої потужності потрібно підвищити напруга в лінії передачі. Причому, чим довша лінія передачі, тим вигідніше використовувати більш високу напругу. Так, наприклад, в високовольтної лінії передачі Волзька ГЕС - Москва використовують напругу в 500 кв. Тим часом генератори змінного струму будують на напруги, що не перевищують 16-20 кв., Тому що більш висока напруга вимагало б прийняття більш складних спеціальних мір для ізоляції обмоток і інших частин генераторів.  Тому на великих електростанціях ставлять підвищують трансформатори. Трансформатор збільшує напругу в лінії в стільки ж разів, у скільки зменшує силу струму. Втрати потужності при цьому невеликі.  Для безпосереднього використання електроенергії в двигунах електропривода верстатів, в освітлювальної мережі і для інших цілей напруга на кінцях лінії потрібно понизити. Це досягається за допомогою понижуючих трансформаторів. Причому зазвичай зниження напруги і відповідно збільшення сили струму відбувається в кілька етапів. На кожному етапі напруга стає усе менше, а територія, охоплювана електричною мережею, - усе ширше. Схема передачі і розподілу електроенергії приведена на малюнку.     Електричні станції ряду областей країни з'єднані високовольтними лініями передач, утворити загальну електромережу, до якої приєднані споживачі. Таке об'єднання називається енергосистемою. Енергосистема забезпечує безперебійність подачі енергії споживачам не залежно від їхнього місця розташування.  Використання електроенергії.  Використання електроенергетики в різних галузях науки.  ХХ століття стало століттям, коли наука вторгається в усі сфери життя суспільства: економіку, політику, культуру, освіту і т.д. Природно, що наука безпосередньо впливає на розвиток енергетики і сферу застосування електроенергії. З одного боку наука сприяє розширенню сфери застосування електричної енергії і тим самим збільшує її споживання, але з іншого боку в епоху, коли необмежене використання невідновлюваних енергетичних ресурсів несе небезпеку для майбутніх поколінь, актуальними завданнями науки стають завдання розробки енергозберігаючих технологій і впровадження їх у життя.  Розглянемо ці питання на конкретних прикладах. Близько 80% приросту ВВП (внутрішнього валового продукту) розвинених країн досягається за рахунок технічних інновацій, основна частина яких пов'язана з використанням електроенергії. Все нове в промисловість, сільське господарство і побут приходить до нас завдяки новим розробкам в різних галузях науки.  Більша частина наукових розробок починається з теоретичних розрахунків. Але якщо в ХIХ столітті ці розрахунки проводилися за допомогою пера і паперу, то у вік НТР (науково-технічної революції) все теоретичні розрахунки, відбір та аналіз наукових даних і навіть лінгвістичний розбір літературних творів робляться за допомогою ЕОМ (електронно-обчислювальних машин), які працюють на електричній енергії, найбільш зручною для передачі її на відстань і використання. Але якщо спочатку ЕОМ використовувалися для наукових розрахунків, то тепер з науки комп'ютери прийшли в життя.  Зараз вони використовуються у всіх сферах діяльності людини: для запису і зберігання інформації, створення архівів, підготовки та редагування текстів, виконання креслярських і графічних робіт, автоматизації виробництва та сільського господарства. Електронізації та автоматизація виробництва - найважливіші наслідки "другого промислової" або "мікроелектронної" революції в економіці розвинених країн. З мікроелектронікою безпосередньо пов'язано і розвиток комплексної автоматизації, якісно новий етап якої почався після винаходу в 1971 році мікропроцесора - мікроелектронного логічного пристрою, що вбудовується в різні пристрої для керування їх роботою.  Мікропроцесори прискорили зростання робототехніки. Більшість застосовуваних нині роботів відноситься до так званого першого покоління, і застосовуються при зварюванні, різанні, пресуванні, нанесення покриттів і т.д. Що приходять їм на зміну роботи другого покоління обладнані пристроями для розпізнавання навколишнього середовища. А роботи-"інтелектуали" третього покоління будуть "бачити", "відчувати", "чути". Вчені й інженери серед найбільш пріоритетних сфер застосування роботів називають атомну енергетику, освоєння космічного простору, транспорту, торгівлю, складське господарство, медичне обслуговування, переробку відходів, освоєння багатств океанічного дна. Основна частина роботів працюють на електричній енергії, але збільшення споживання електроенергії роботами компенсується зниженням енерговитрат в багатьох енергоємних виробничих процесах за рахунок впровадження більш раціональних методів і нових енергозберігаючих технологічних процесів.  Але повернемося до науки. Всі нові теоретичні розробки після розрахунків на ЕОМ перевіряються експериментально. І, як правило, на цьому етапі дослідження проводяться за допомогою фізичних вимірів, хімічних аналізів і т.д. Тут інструменти наукових досліджень різноманітні - численні вимірювальні прилади, прискорювачі, електронні мікроскопи, магніторезонансної томографії і т.д. Основна частина цих інструментів експериментальної науки працюють на електричній енергії.  Дуже бурхливо розвивається наука в галузі засобів зв'язку та комунікацій. Супутниковий зв'язок використовується вже не тільки як засіб міжнародного зв'язку, але і в побуті - супутникові антени не рідкість і в нашому місті. Нові засоби зв'язку, наприклад волоконна техніка, дозволяють значно знизити втрати електроенергії в процесі передачі сигналу на великі відстані.  Не обійшла наука і сфери управління. У міру розвитку НТР, розширення виробничої та невиробничої сфер діяльності людини, все більш важливу роль у підвищенні їх ефективності починає грати управління. З свого роду мистецтва, ще недавно грунтується на досвіді та інтуїції, управління в наші дні перетворилося на науку. Наука про управління, про загальні закони одержання, зберігання, передачі і переробки інформації називається кібернетикою. Цей термін походить від грецьких слів "керманич", "керманич". Він зустрічається в працях давньогрецьких філософів. Однак нове народження його відбулося фактично в 1948 році, після виходу книги американського вченого Норберта Вінера "Кібернетика".  До початку "кібернетичної" революції існувала лише паперова Інформатика, основним засобом сприйняття якої залишався людський мозок, і яка не використовувала електроенергію. "Кібернетична" революція породила принципово іншу - машинну інформатику, відповідну гігантськи збільшеним потоків інформації, джерелом енергії для якого є електроенергія. Створені зовсім нові засоби отримання інформації, її?? акопленія, обробки і передачі, в сукупності утворюють складну інформаційну структуру. Вона включає АСУ (автоматизовані системи управління), інформаційні банки даних, автоматизовані інформаційні бази, обчислювальні центри, відеотерміналів, копіювальні апарати та фототелеграфние, загальнодержавні інформаційні системи, системи супутникового і швидкісний волокнисто-оптичного зв'язку - все це необмежено розширило сферу використання електроенергії.  Багато вчених вважають, що в даному випадку мова йде про нову "інформаційної" цивілізації, що приходить на зміну традиційної організації суспільства індустріального типу. Така спеціалізація характеризується такими важливими ознаками:  * Широким поширенням інформаційної технології в матеріальному і нематеріальному виробництві, у галузі науки, освіти, охорони здоров'я і т.д.;  * Наявністю широкої мережі різних банків даних, у тому числі громадського користування;  * Перетворення інформації в один з найважливіших факторів економічного, національного та особистого розвитку;  * Вільною циркуляцією інформації в суспільстві.  Такий перехід від індустріального суспільства до "інформаційної цивілізації" стало можливим багато в чому завдяки розвитку енергетики та забезпечення зручним в передачі і застосування видом енергії - електричною енергією.          Електроенергія у виробництві.  Сучасне суспільство неможливо уявити без електрифікації виробничої діяльності. Вже в кінці 80-х років понад 1/3 всього споживання енергії у світі здійснювалося у вигляді електричної енергії. До початку наступного століття ця частка може збільшитися до 1/2. Таке зростання споживання електроенергії, насамперед пов'язаний зі зростанням її споживання в промисловості. Основна частина промислових підприємств працює на електричній енергії. Високе споживання електроенергії характерно для таких енергоємних галузей, як металургія, алюмінієва та машинобудівна промисловість.  Електроенергія в побуті.  Електроенергія в побуті невід'ємний помічник. Кожен день ми маємо з нею справу, і, напевно, вже не уявляємо своє життя без неї. Згадайте, коли останній раз вам відключали світло, тобто у ваш дім не надходила електроенергія, пригадайте, як ви лаялися, що нічого не встигаєте і вам потрібен світло, вам потрібен телевізор, чайник і купа інших електроприладів. Адже якщо нас знеструмити назавжди, то ми просто повернемося в ті давні часи, коли готували їжу на багатті і жили в холодних вігвама.  Значущості електроенергії в нашому житті можна посвітити цілу поему, настільки вона важлива в нашому житті і ми настільки звикли до неї. Хоча ми вже й не помічаємо, що вона надходить до нас у будинку, але коли її відключають, стає дуже не комфортно.  Цінуйте електроенергію! 

Вода

Цілком природно виникає питання, чи завжди використання енергії і виробництво електроенергії повинне супроводжуватися руйнуванням навколишнього середовища. І якщо правда, що будь-який вид людської діяльності неминуче впливає на природу, то ступінь цієї шкоди різний. Ми не можемо не впливати на середовище, у якій живемо, оскільки для підтримки життєвих процесів як таких необхідно поглинати і використовувати енергію.

Людина, безумовно, впливає на навколишню його середовище, однак у природі існують природні механізми, що врівноважують, що підтримують середовище і спільноти, що живуть у ній, у стані рівноваги, коли всі зміни відбуваються досить повільно. Проте в багатьох випадках господарська діяльність людини порушує рівновагу, підтримувану цими механізмами, що призводить до швидких змін умов навколишнього середовища, з якими ні людина, ні природа не можуть успішно справитися. Традиційне виробництво енергії, що дає величезні кількості забруднювачів води і повітря, – один з видів такої діяльності людини.

Дивно, що всього двісті років тому людство, крім енергії самої людини і тварин, володіло тільки трьома видами енергії. І джерелом цих усіх трьох видів енергії було Сонце. Енергія вітру обертала крила вітряних млинів, на яких мололи зерно чи ткали. Для того щоб можна було скористатися енергією води, необхідно, щоб вода бігла вниз до моря від вище розташованого джерела, де річка наповняється за рахунок дощів, що випадають.

За останнє десятиліття інтерес до цих джерел енергії постійно зростає, оскільки в багатьох відносинах вони необмежені. У міру того як постачання палива стає менш надійним і більш дорогим, ці джерела стають усе більш привабливими і більш економічними. Підвищення цін на нафту і газ послужило головною причиною того, що ми знову звернули свою увагу на воду, вітер і Сонце.