27 апр. 2015 г.

Зачем трамваю аккумулятор? (Из серии про электричество для "чайников")

Суть - в названии. Изложено доступно и популярно, читается легко. Статья познавательная.

Быть пассажиром трамвая доводилось очень многим из нас. Или, уж во всяком случае, как говорится, кто не был – тот будет. А кто был – тот уже никогда не забудет это чудо инженерной техники, которому, между прочим, уже более ста лет.

Так вот, даже малым детям известно, что трамвай едет благодаря электрической тяге. Кто постарше и пограмотнее – может вспомнить, что ток, потребляемый трамваем, – постоянный, и что провод, проходящий наверху, является плюсовым, а минусовой провод – это рельсы, по которым трамвай передвигается.


Но трамвай далеко не так прост, как это кажется. К примеру, многим людям, даже имеющим инженерное образование и склонности к изучению техники, может показаться странным тот факт, что каждый вагон трамвая имеет при себе свой собственный аккумулятор. Вернее сказать, даже не аккумулятор, а целую аккумуляторную батарею. Батарея эта кислотная, со свинцовыми пластинами – прямо как у автомобиля.

Ну, действительно, зачем трамваю аккумулятор? Он же и сам электрический! Или ему мало электрического тока, который от провода приходит?

А оказывается, что тока не мало. Можно даже сказать, что его в некотором смысле чересчур много. Ведь напряжение питания контактной сети трамвая составляет ни много ни мало 550 вольт. А электрических цепей в вагоне трамвая полным-полно. И, говоря образно, не каждой из этих цепей такое напряжение будет «по нутру».

Например, в кабине водителя трамвая есть панель с сигнальными лампочками. Ну не запитывать же эти лампочки от 550 вольт! Или взять, к примеру, маленькие двигатели приводов открывания дверей вагона. Теоретически их можно было бы сделать 550-тивольтовыми. Но тогда были бы проблемы: дверной двигатель требовал бы особых мер безопасности при обслуживании и эксплуатации. Напряжение ведь очень опасное.


Еще одна проблема заключалась бы в том, что найти в продаже двигатели такой малой мощности на такое большое напряжение просто невозможно. Ну и напоследок обратим внимание на то, что коммутация цепи 550 вольт – это вещь серьезная. Тут и приборы релейной защиты нужны, и другие сложные штуки.

Одним словом, проще всю эту вспомогательную технику сделать низковольтной. Так и проще, и безопаснее.

Вдобавок, в трамвае есть электрические цепи, которым желательно обеспечить электропитание даже тогда, когда напряжения в силовой цепи нет и токоприемник опущен. Это может быть цепь освещения, цепь подачи звукового сигнала, цепь управления теми же приводами открывания дверей. Получается, что этим цепям нужен автономный и независимый источник питания.

Вот и выходит, что, как это ни странно, без аккумуляторных батарей трамваю никак не обойтись. И с неисправной или полностью разряженной аккумуляторной батареей вагон обычно даже не может выехать за пределы родного трамвайного депо.

Другие статьи про электричество для "чайников": 
http://electricalschool.info/main/osnovy/  

23 апр. 2015 г.

Изобретен первый в мире солнечный элемент, работающий на свете и воздухе

Что это - солнечный элемент или аккумулятор? На самом деле, запатентованное устройство, изобретенное в Университете штата Огайо, является одновременно и элементом и аккумулятором. 

Ученым удалось создать первую модель самой энергоэффективной солнечной батареи в мире. В последнем номере журнала Nature Communications, исследователи сообщают, что они сумели объединить обычную батарею и солнечный аккумулятор в единое устройство гибридного характера.


Ключом инновационного устройства является сетка солнечной панели, которая позволяет потокам воздуха поступать в батарею и обеспечивать процесс обмена электронов между электродами батареи и солнечной панелью. 

Внутри устройства, кислород и свет создают различные химические реакции, в результате которых аккумулятор заряжается. Университет будет лицензировать солнечную батарею в промышленных целях. Иинг Бай, профессор биохимии и химии Университета Огайо говорит, что это поможет покрыть затраты на возобновляемые источники энергии.

"В современной промышленности используются солнечные панели для захвата света и дешевые аккумуляторы, которые хранят энергию. "Нам удалось интегрировать обе эти функции в едином устройстве. В любое время вы можете сделать это и снизить таким образом затраты" - говорит Бай. Он и его ученики считают, что с использованием устройства затраты будут снижены на целые 25 процентов.

Изобретение решает и довольно древнюю проблему, связанную с энергетической эффективностью солнечных лучей, устраняя потери электроэнергии, что обычно происходит, когда электроны передвигаются между солнечным элементом и внешней батареей. Как правило, только 80 процентов электронов, выходящих из солнечного элемента, достигают батареи. 

С помощью данной инновационной конструкции, происходит преобразование света в электроны. Сам процесс преобразования происходит внутри батареи. Таким образом, почти 100 процентов электронов сохраняется.

Конструкция принимает сигналы от батареи, разработанной ранее Бай и докторантом Сяоди Реном. Они изобрели пневматический аккумулятор высокой эффективности, который работает на химические реакции между калием и кислородом. 

Проект выиграл грант - $ 100 000 Министерства энергетики США в 2014 году. Позже исследователи сформировали ООО, под названием KAir Energy Systems, чтобы обеспечить проекту развитие и дополнительный доход. "Одним словом - эта батарея, способная дышать. Она вдыхает воздух, когда разряжается и выдыхает его, когда заряжается" - отмечает Бай.

22 апр. 2015 г.

Разряд конденсатора на видео

Если обе обкладки конденсатора соединить между собой через сопротивление большой величины, то заряды на них выравняются через промежуток времени, тем больший, чем больше величина сопротивления, а следовательно, чем меньше сила тока, протекающего с одной обкладки конденсатора на другую.

Если обкладки конденсатора соединить накоротко или через малое сопротивление, то разряд конденсатора произойдет мгновенно и будет сопровождаться искрой.

Если напряжение на обкладках конденсатора будет увеличиваться, то может наступить момент, когда разряд произойдет через диэлектрик, находящийся между пластинами конденсатора. Это явление называется пробоем диэлектрика. Последний теряет при этом свои первоначальные свойства.

Схема заряда конденсатора, графики зарядных токов конденсатора при разных сопротивлениях и емкостях, графики напряжения и токов при разряде конденсатора смотрите здесь: Заряд и разряд конденсаторов



Разряд конденсатора на видео:


Разряд батареи конденсаторов:

20 апр. 2015 г.

Холодный ядерный синтез

Традиционно для получения ядерной энергии применяют цепную реакцию деления ядер плутония или урана-235, реже используются другие тяжелые ядра, такие как уран-238 или торий-232. При попадании в ядра нейтронов, они делятся, при этом возникают осколки деления, а также новые нейтроны.

Полученные продукты реакции обладают высокой кинетической энергией, и когда эти осколки сталкиваются с другими атомами, то кинетическая энергия очень быстро переходит в тепло. Именно так работают современные ядерные реакторы, вращающие генераторы, и дающие нам электричество. Первый ядерный реактор был пущен в эксплуатацию в декабре 1942 года в США.

Есть и другой путь высвобождения ядерной энергии, называемый термоядерным синтезом. В процессе синтеза два ядра легких элементов обьединяются в одно более тяжелое, при этом происходит выделение огромного количества энергии. В природе такие процессы идут непрерывно на Солнце и на других звездах, являясь основным источником их энергии.

Атомное ядро обладает положительным электрическим зарядом, и на больших расстояниях между ядрами, эти заряды экранируются электронами, расположенными между ними. Но для осуществления синтеза, по сути - слияния двух ядер в одно, они должны сблизиться, преодолев, дающую о себе знать на малых расстояниях, силу кулоновского отталкивания, чтобы сила сильного ядерного взаимодействия взяла верх и связала их в одно новое ядро.

Чтобы это произошло, нужно затратить энергию порядка 0,1 МэВ, которой соответствует температура порядка 11 миллионов градусов Кельвина. Отметим, что температура ядра солнца составляет примерно 13 500 000 К.
Освоение управляемого термоядерного синтеза может стать началом использования энергии неисчерпаемого источника, однако сегодня это технологически нереально. 

Неуправляемые же термоядерные реакции позволили создать термоядерные бомбы невероятной разрушительной силы. Первая термоядерная бомба была произведена в США, и испытана 1 ноября 1952 года на острове Эниветок.


В марте 1989 года мир потрясло сообщение об эпохальном открытии двух американских ученых электрохимиков, Мартина Флейшмана и Стэнли Понса, которые, как они сами заявили, воспроизвели реакцию холодного ядерного синтеза, то есть синтеза при комнатной температуре. 31 марта 1989 года, они выступили с презентацией в Университете Юты. Докладчики имели хорошую репутацию и заслуживали доверия ученых, которые пришли послушать доклад.

Электрохимик Мартин Флейшман уже обладал международной известностью. Он преподавал в Даремском университете, был профессором электрохимии в Саутгемптоне, президентом международного электрохимического общества, а в 1986-м году стал членом Королевской академии наук. Его соратник Стэнли Понс возглавлял к тому времени факультет химии в Университете Юты.

Исследователи утверждали, что в их устройстве ядра дейтерия сливаются друг с другом несмотря на обычные температуру и давление. «Реактор холодного синтеза» представлял собой простой калориметр с водным раствором соли. Через этот раствор ученые пропускали электрический ток. 

Вода, конечно, была не простой H2O, а тяжелой, D2O (в молекуле обычной воды H2O содержится легкий изотоп водорода – протий, а в молекуле тяжелой воды D2O – дейтерий, с виду тяжелая вода выглядит как обычная). Катод был изготовлен из палладия, а в состав соли, растворенной в тяжелой воде, входили дейтерий и литий.

Через раствор непрерывно в течение нескольких месяцев пропускали постоянный ток, шел электролиз, при этом на аноде непрерывно выделялся кислород, а на катоде — тяжелый водород. 

Понс и Флейшман утверждали, что обнаружили, периодическое возрастание температуры электролита на десятки градусов цельсия, а временами и больше, и это несмотря на то, что источник питания отдавал все время стабильную мощность. Ученые объяснили это явление поступлением внутриядерной энергии, которая, по их мнению, выделялась при слиянии ядер дейтерия внутри кристаллической решетки палладия.


Уникальное свойство, присущее палладию, заключается в способности поглощать водород. Понс и Флейшман были убеждены в том, что именно внутри кристаллической решетки этого металла атомы дейтерия сближаются на столько сильно, что их ядра сливаются в новые ядра – в ядра основного изотопа гелия. 

Согласно их гипотезе, энергия, выделяемая в процессе синтеза, и нагревала электролит. Такое объяснение подкупало простотой. Оно мгновенно убедило журналистов, политиков, и даже некоторых химиков.


Но специалисты по физике плазмы и опытные физики-ядерщики и не спешили с выводами. Они понимали, что два дейтрона принципиально могут дать начало ядру гелия-4 и высокоэнергичному гамма-кванту, но вероятность подобного исхода весьма и весьма мала. Пусть даже верно, что дейтроны вступают в ядерную реакцию, но она с очень большой долей вероятности завершится рождением ядра трития и протона либо возникновением нейтрона и ядра гелия-3, притом вероятности этих превращений почти равны.

Если бы внутри палладия действительно шел ядерный синтез, то он должен был бы порождать значительное число нейтронов с вполне конкретной энергией порядка 2,45 МэВ. Их легко обнаружить либо с помощью нейтронных детекторов, либо косвенно, поскольку при столкновении такого нейтрона с ядром тяжелого водорода должен возникнуть гамма-квант с энергией 2,22 МэВ, который опять-таки легко поддается регистрации. Короче говоря, гипотезу Понса и Флейшмана можно было бы подтвердить, проведя проверку с помощью обычной радиометрической аппаратуры.

Но ничего не вышло. Флейшман попросил сотрудников британского ядерного центра в Харуэлле протестировать его «реактор» на наличие генерации нейтронов. Харуэлл располагал очень хорошими сверхчувствительными детекторами нейтронов, но в результате тестов они не показали ничего из заявленного! Поиск же гамма-лучей соответствующей энергии тоже обернулся отрицательным результатом.

К аналогичному выводу пришли и физики Университета Юты. Попытку воспроизведения эксперимента Понса и Флейшмана предприняли и сотрудники Массачусетского технологического института, и опять же безрезультатно. В итоге, на конференции Американского физического общества, прошедшей в Балтиморе 1 мая в том же 1989 году, заявка на эпохальное открытие потерпела сокрушительное фиаско. New York Times писала о некомпетентности горе-химиков из Юты.

Академическая карьера Понса и Флейшмана быстро завершилась. В 1992 году они уволились из Университета Юты и продолжили свои исследования во Франции на деньги японцев, пока не лишились финансирования и от них. Флейшман вернулся в Англию, а Стэнли Понс отказался от гражданства Америки и переехал во Францию.


Практика все же показывает, что холодный ядерный синтез не просто возможен, но и реально осуществлен, притом в нескольких версиях. Например, в 2005 году исследователи из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса (Брайан Нараньё, Сет Паттермэн и Джим Джимзевски) запустили реакцию в контейнере с дейтерием, умещающемся на ладони, внутри которого создавалось электростатическое поле.

Источником поля служила вольфрамовая игла, соединенная с пироэлектрическим кристаллом танталата лития, на котором при охлаждении и последующем нагревании получалась разность потенциалов от 100 до 120 кВ. Электрическое поле напряженностью около 25 ГВ/м ионизировало атомы дейтерия, и до такой степени разгоняло его ядра, что в результате, при столкновении с мишенью из дейтерида эрбия, они рождали ядра гелия-3 и нейтроны.

Максимальный нейтронный поток составил около 900 нейтронов в секунду, что в 400 раз превышает типичное фоновое значение. Такая система, безусловно, имеет некоторые перспективы в качестве карманного генератора нейтронов, однако говорить о ней как о серьезном источнике энергии нельзя. Дело здесь в том, что такие устройства потребляют намного большее количество энергии, чем производят.

В экспериментах ученых из Калифорнии в одном цикле охлаждения-нагревания, длительностью всего несколько минут, выделялось примерно 8-10 Дж, что на 11 порядков меньше, чем необходимо для нагрева 200 мл воды на 1 градус.

При создании статьи использованы материалы сайта http://electricalschool.info

19 апр. 2015 г.

Электромагнитная и электростатическая индукция

В статье использованы материалы сайта Школа для электрика

Открытое в 1831 году Майклом Фарадеем, явление электромагнитной индукции положило начало прогрессивным исследованиям в этой области. Ученые всего мира начали активно конструировать индукционные катушки для получения электрических импульсов высокого напряжения, изобретать различные варианты электродвигателей, а также разнообразные конструкции трансформаторов.

Примерами могут служить работы Генриха Румкорфа, который в 1851 году запатентовал свою высоковольтную катушку, и, конечно, Николы Тесла, который, начиная с 1887 года, разработал целый ряд двигателей переменного тока, основанных на взаимодействии электромагнитных полей.

Несмотря на технический рывок, связанный с открытием и изучением явления электромагнитной индукции, потенциал электричества как такового не был полностью раскрыт инженерами того времени. Электромагнитная индукция заключается в возникновении тока в проводнике, при изменении магнитного поля вокруг проводника.

Например, быстро проведя магнитом поперек куска провода, мы вызовем в этом куске провода индукционный ток, который будет тем сильнее, чем сильнее магнит, и чем быстрее мы его двигаем.

На этом принципе основана работа современных электрических генераторов переменного тока, даже тех, которые установлены на атомных электростанциях. Что же еще можно к этому добавить, ведь, казалось бы, результат достигнут, электричество производится, и нечего менять? Но это только одна сторона электричества как физического явления.

Каждый, кто изучал в школе физику, наверняка помнит, как преподаватель, натерев эбонитовую палочку шерстью, и поднеся ее к электроскопу (прибор для измерения электрического заряда), вызывал движение стрелки электроскопа. 

Подобным образом расческа, потертая о волосы, притягивает мелкие листочки бумаги - это проявление того же самого явления. В этих примерах имеет место проявление электростатической индукции.


Электростатическая индукция, в отличие от электромагнитной индукции, не требует участия магнитного поля для создания тока. Достаточно, например, поднести наэлектризованную расческу к проводнику, и в нем возникнет импульс электрического тока, обусловленный перераспределением заряда в проводнике, под действием электрического поля наэлектризованной расчески.

Как видим, электростатическая индукция не просто наводит электростатическое поле в проводнике под действием внешнего поля, а вызывает в нем кратковременный ток. Это заслуживает пристального внимания исследователей.

Современная полупроводниковая база шагнула далеко вперед, и позволяет теперь генерировать электрические импульсы высокого напряжения наносекундной длительности с частотой до нескольких мегагерц, а это как раз то, что нужно для генерации переменного тока посредством наведения заряда электростатической индукцией.

Генерация электрического тока может быть более эффективной с применением электростатической индукции вместо, принятой всюду в электротехнике, электромагнитной индукции, это откроет широчайшие возможности для работы инженерной мысли и новейших технических решений.

Очень наглядно и подробно про электростатическую индукцию рассказано в одном старом советском диафильме. Посмотреть его можно здесь: Статическое электричество в картинках 

Оставляйте свои комментарии! Мне очень интересно Ваше мнение об этой статье!

Присоединяйтесь к нам на Facebook!

Последние заметки