Ни один процесс в нашей жизни не обходится без электричества. Оно сопровождает нас повсеместно, ну никуда без него. Но почему так получилось? Что в нём, в электричестве, такого особенного, что мы стали применять его так много и так массово? Об этом и поговорим сегодня.
Вся фишка в том, что электричество универсально, его легко передавать и преобразовывать - и в самоё себя, но с разными параметрами, и в энергию других форм. Дальше в статье покажу, почему это так.
Какая бывает энергия
Для начала давайте глянем, а какие вообще виды энергии есть. Нас они больше интересуют с точки зрения, так сказать, практикоприменимости, например, тепло, свет и т.п., но это формы энергии. А виды энергии различают следующие:
- механическая (кинетическая и потенциальная)
- внутренняя
- электромагнитная
- химическая
- ядерная
- гравитационная
- энергия вакуума
В отдельную категорию выделяют ещё энергию взрыва, но, так понимаю, этот момент дискуссионный (вот тут вообще не в теме, могу ошибаться, если есть знатоки, поделитесь своими знаниями в комментариях). О каждом виде энергии можно подробнее ознакомиться в энциклопедиях, если интересно.
Нас же интересует энергия с точки зрения практического применения, то есть её формы. Рассмотрим следующие:
- тепловая
- световая
- химическая
- механическая
- электрическая (электромагнитная)
Немного странный, на первый взгляд, список, но давайте по каждому пункту поговорим отдельно, и рассмотрим вопрос через призму преобразования того или иного вида энергии в электрическую и обратно. И будем приводить КПД (примерный, конечно) конкретных преобразующих устройств, это любопытно. Кроме, пожалуй преобразования химическая <--> электрическая, там совсем в общем виде покажем.
Электричество и тепло
С преобразованием электроэнергии в тепло мы все прекрасно знакомы - обогреватели, чайники, электроплиты, нагреватели в стиральных и посудомоечных машинах и т. д., и т. п. КПД электрических нагревательных элементов порядка 100%, т.е. вся подведённая электрическая энергия превращается в тепло.
А вот обратное преобразование, к сожалению, не настолько эффективно. Наверняка вы слышали, что можно получать электроэнергию прямо от источника тепла. Идея не новая, ей фактически уже двести лет, хотя от идеи и принципа до рабочих образцов, а тем более до серийного производства, колоссальное расстояние. Такие устройства есть, называются термоэлетрогенераторами (ТЭГ), ознакомиться в общих чертах можно по ссылке:
Там приведена табличка, из которой понятно, в первую очередь, что ничего не понятно, ну и то, что КПД сильно зависит от используемых материалов и разницы температур. В идеале, чисто теоретически, можно, наверное достичь и ста процентов, но на практике это пока единицы процентов. Вот в этой статье показан принцип работы ТЭГ и объяснено, почему их КПД такой низкий - до 1% для металлических термопар и 5-7% для полупроводниковых. А вот здесь, например, рассказывают, что учёным удалось добиться рекордного для термоэлектрогенератора КПД в 9,5%.
А в статье ниже рассказывают про успехи учёных Питерского Политеха на ниве добычи электричества напрямую из тепла:
Если получится сделать относительно дешёвый ТЭГ с высоким КПД, то область применения широченная: на тепловых выбросах добывать "попутное" электричество было бы очень неплохо. Пока термоэлектрогенераторы имеют смысл там, где вот совсем неоткуда энергию брать, а источником тепла выступает радиоактивный элемент.
Итак:
- электричество в тепло - нагревательные элементы, КПД ≈100%
- тепло в электричество - термоэлектрогенератор, КПД ≈до 10% (грубо округляем и берём самый максимум, для наглядности)
Электричество и свет
Электрической лампочкой у нас сейчас тоже, конечно, никого не удивишь. Правда, КПД сильно разный в зависимости от типа лампы. Например, у той же лампы накаливания порядка 80% энергии уходит не в свет, а в тепло, так что она тоже неслабый такой отопительный прибор. Вернее, в инфракрасное излучение, но нам от этого не светлее. Но давайте посмотрим КПД по типам ламп (цыферки беру отсюда):
- лампа накаливания - 4-5%
- люминесцентная лампа - сильно зависит от типа колбы, у спиралевидных 7-8%
- галогеновая лампа - 15-20%
- ртутные и натриевые газоразрядные лампы - 50-70%
- светодиодная лампа - до 90%
В общем, для наших прикидок возьмём так: от 5 до 90% электрической энергии можно преобразовать в свет. Кстати, интересный момент про лазерное излучение, но в качестве осветительного прибора лазер, ну, не очень.
Ну и обратное преобразование - из света в электричество - сейчас тоже известно хорошо, это фотоэлектрическое преобразование с помощью всяческих солнечных панелей. Тема малость спекулятивная, поэтому приведём нечто усреднённое - будем считать до 20%. Хотя, конечно, у каких-то панелей КПД ниже, где-то удалось добиться почти 30%. Условия среды на их эффективность тоже существенно влияют - прозрачность атмосферы, погода, чистота панелей и т.д.
Итак:
- электричество в свет - разнообразные лампы, КПД от 5 до 90%
- свет в электричество - фотоэлектрические панели, КПД ≈до 20%
Электричество и химия
В химических процессах не разбираюсь совсем, поэтому приведу только примеры, без количественных оценок.
Электричество в химических применяют давно и весьма успешно, взять хотя бы гальванопластику. Это осаждение цветного металла из его раствора под действием электрического тока (т.е. в результате электролиза). Применяют для созданиях точных копий металлических предметов очень сложной формы, а также при производстве грампластинок, печатных валов, металлических изделий с микронными параметрами. Изобретена гальванопластика русским электротехником Борисом Семёновичем Якоби в 1837 г.
Ну и получение электричества химическим способом тоже давно и хорошо известно - всевозможные батареи и аккумуляторы. Кстати, первые источники тока были именно химическими - лейденская банка и вольтов столб.
Электричество и механическая энергия
Преобразование электрической энергии в механическую тоже вполне привычно и окружает нас повсеместно. Это двигатели лифтов и эскалаторов, стиральных машин и миксеров, строительных кранов и карьерных самосвалов и пр., и пр., и пр. Люди создали огромное количество разнообразных электродвигателей, которые существенно улучшили нашу жизнь. Заметьте, что механическая энергия получается в виде вращения, а там из него уже можно сделать нужное нам движение.
КПД электродвигателей находится в пределах от 70 до 90-98%. Для малых машин это 70-90%, для мощных электродвигателей (больше 100 кВт) может доходить и до 98%, благодаря современным материалам, технологиям и средствам управления.
Но самое приятное, что и обратное преобразование - механической энергии в электрическую - тоже обладает столь же высоким КПД. Происходит такое преобразование в электрических генераторах, которых тоже много разных видов, и, естественно, у них разная эффективность.
Так, для синхронных генераторов, например, КПД составляет порядка 95%, часто даже 96-98%. А для генераторов постоянного тока порядка 90%. Поэтому для нашей оценки будем считать КПД электрических генераторов 90-95%.
Итак:
- электричество в механическую энергию - электродвигатели, КПД 70-90%
- механическая в электрическую - электрические генераторы, КПД 90-95%
Послесловие
Я показала вам несколько преобразований энергии разных форм (тепловая, световая и т.п.) в электрическую и обратно. И как видно, это достаточно легко делать, по крайней мере на нынешнем уровне научно-технического развития. Поэтому электричество и получило такое широкое распространение - оно универсально.
И ещё один момент. Можно заметить, что только электромеханическое преобразование примерно сохраняет свою эффективность (порядка 90%), причём весьма высокую. Именно поэтому электроэнергетические системы построены на электромеханическом преобразовании.
Конечно, всю картину портит то, что эту самую механическую энергию, т.е. вращение, нужно ещё как-то получить, а вот преобразование первичной энергии (например, сгораемого топлива) в механическую далеко не так эффективно. И вот уже КПД целой электростанции ну так себе, особенно простой тепловой, которая даёт только электричество, - у неё КПД порядка 40-60%, а вот у ТЭЦ эффективность может быть даже больше 70% (особенно зимой, собственно, за тем их и создавали, чтобы повысить эффективность). Для ГЭС КПД составляет порядка 70-80%.
Ну и напоследок хочу показать вам интересную табличку из журнала "Моделист-конструктор", в которой приведены разные виды преобразований и соответствующие устройства. Очень любопытная табличка, интересно рассматривать. Правда, из механической в электрическую должен быть всё-таки генератор, а так-то он, конечно, и у ветряка, и в гидротурбине есть, поэтому позволила себе небольшое уточнение приписать.
Ссылка на саму статью, если интересно:
Наверное, когда-то будут открыты новые виды преобразований, какое-нибудь, например, гравитационно-электрическое, и эту таблицу придётся расширять. Это будет интересное время открытий, надо бы стараться его как-то приближать.
Надеюсь, всё вышеизложенное дало вам какую-то новую пищу для ума. Если есть что добавить, велком в комментарии, устроим конструктивный диалог.
Всем тепла и света!
