Электрическая энергия, ее свойства и применение

Содержание:

Электрическая энергия:

Из всех видов энергии в настоящее время наиболее широко применяется электромагнитная энергия, которую в практике обычно называют электрической.

Энергия — это количественная мера движения и взаимодействия всех форм материи. Для любого вида энергии можно назвать материальный объект, который является ее носителем.

Механическую энергию несут, например, вода, падающая на лопасти гидротурбины, заведенная пружина, тепловую — нагретый газ, пар, горячая вода.

Носителем электрической энергии является особая форма материи — электромагнитное поле, главная особенность которого состоит в том, что оно оказывает силовое воздействие на электрически заряженные частицы, зависящее от их скорости и величины заряда. Это свойство электромагнитного поля является основой связанных между собой электрических и магнитных явлений, известных из курса физики — взаимодействия электрически заряженных или намагниченных тел, электрического тока, электромагнитной индукции и др.

Использованием этих явлений для получения, передачи и преобразования электрической энергии занимается электротехника. Применение электромагнитного поля и его энергии для передачи информации без проводов — задача радиотехники.

Применение электрической энергии

Широкое применение электрической энергии объясняется ее ценными свойствами, возможностью эффективного преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую) с целью приведения в действие машин и механизмов, получения тепла и света, изменения химического состава вещества, производства и обработки материалов и т. д.

Преобразование электрической энергии в механическую с помощью электродвигателей позволяет наиболее удобно, технически совершенно и экономически выгодно приводить в движение многочисленные и разнообразные рабочие машины и механизмы (металлорежущие станки, прокатные станы; подъемно-транспортные машины, насосы, вентиляторы, швейные и обувные машины, молотилки, зерноочистительные, мукомольные машины и т. д.).

Электродвигатели приводят в движение поезда, морские и речные суда, городской транспорт. С применением в промышленности электродвигателей стало возможным отказаться от неудобного и малоэффективного группового трансмиссионного привода, перевести рабочие машины на индивидуальный привод (у каждой рабочей машины — свой электродвигатель), а сложные машины (например, прокатный стан, бумагоделательная машина и т. п.) — на многодвигательный привод, когда каждый из группы электродвигателей выполняет в приводе свою определенную функцию.

Электрификация рабочих машин дает возможность не только механизировать, но и максимально автоматизировать силовые процессы, так как электродвигатель позволяет в широких диапазонах регулировать мощность и скорость привода.

Во многих технологических процессах используют преобразование электрической энергии в тепловую и химическую. Так, например, электронагрев и электролиз дают возможность получать высококачественные специальные стали, цветные металлы, обеспечивают наивысшую чистоту производимых материалов. При электротермической обработке металлов, резиновых изделий, пластмасс, стекла, древесины получают продукцию высокого качества.

Электрохимические процессы, составляющие основу гальванотехники, позволяют получать антикоррозионные покрытия, идеальные поверхности для отражения лучей и т. д.

Большое развитие, особенно в нашей стране, получила электросварка, обеспечивающая высокую производительность труда и другие технико-экономические показатели.

Электрические источники света обеспечивают высокое качество искусственного освещения. Благодаря применению электрической энергии получены выдающиеся результаты в технике связи, автоматике, электронике, в управлении и контроле технологических процессов и т. д.

В таких областях, как медицина, биология, астрономия, геология, математика и т. д., еще недавно применялись только электрические устройства общего назначения (электролампы, электронагреватели, электродвигатели и т. п.), а теперь все шире внедряются специализированные электрические приборы, аппараты, установки, которые обеспечивают дальнейшее развитие этих областей как в научном, так и в прикладном отношении.

Большое значение для развития науки и техники имеют электронные вычислительные машины, которые становятся распространенным и высокоэффективным средством научных исследований, экономических расчетов, планирования, управления производственными процессами, диагностики болезней и т. д.

Получение электрической энергии

Электрическую энергию можно получить из других видов энергии непосредственно или путем промежуточных преобразований.

Для этого используют природные энергетические ресурсы — реки и водопады, океанские приливы, органическое топливо, ядерное топливо, солнечную радиацию, ветер, геотермальные источники.

В больших количествах электрическую энергию получают на электростанциях с помощью электромеханических генераторов — преобразователей механической энергии в электрическую.

На гидроэлектростанциях механическая энергия к электрогенераторам поступает от гидротурбин, которые воспринимают постоянно возобновляемую в природе энергию течения рек. На тепловых электростанциях используют энергию органического топлива. Тепловая энергия, полученная при сжигании топлива, поступает в тепловые турбины (паровые, газовые), превращается в них в механическую и передается электрогенераторам.

На атомных электростанциях тепловую энергию получают за счет энергии, содержащейся в ядрах атомов, а в остальном схема получения электрической энергии такая же, как на тепловой станции.

Прямое преобразование химической, тепловой, лучистой энергии в электрическую осуществляют с помощью электрохимических, термоэлектрических, термоэмиссионных, фотоэлектрических генераторов. Эти устройства имеют малую мощность и поэтому для большой энергетики непригодны, а применяются в радиотехнике, автоматике, космической технике.

Для получения электроэнергии в больших количествах более перспективны магнитогидродинамические генераторы и устройства для прямого преобразования термоядерной энергии в электрическую.

Передача и распределение электрической энергии

Повсеместное использование электрической энергии при концентрации природных энергетических ресурсов в отдельных географических районах привело к необходимости передачи ее на большие расстояния, распределения между приемниками в большом диапазоне мощностей.

В Советском Союзе действуют электропередачи протяженностью более 1000 км (крупнейшая из них между Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС и Москвой). Решаются вопросы, связанные со строительством сверхдальних электропередач (3500—5000 км) из районов Сибири в европейскую часть страны.

Электрическая энергия легко распределяется по приемникам любой мощности. В технике связи, в автоматике и измерительной технике используют устройства малой мощности (единицы и доли ватта). Вместе с тем имеются электрические устройства (двигатели, нагревательные установки) мощностью в тысячи и десятки тысяч киловатт.

Для линий передачи и распределительных сетей применяют металлические провода (из алюминия, стали, меди). Действием электрогенератора в проводах и окружающем их диэлектрике устанавливается электромагнитное поле, несущее энергию.

При наличии проводов поле достигает высокой концентрации, поэтому передача осуществляется с высоким коэффициентом полезного действия и в количестве, достаточном для приведения в действие различных приемников, в том числе большой мощности.

В радиотехнике используется передача электромагнитного поля без соединительных проводов, поэтому поле, распространяясь в пространстве, рассеивается в большом объеме. Приемные устройства улавливают лишь небольшую часть энергии, которой недостаточно для приведения в действие машин, нагревательных устройств, источников света и т. п. Однако для передачи информации такой способ пригоден, так как для воспроизведения сигналов достаточно принять ничтожно малую часть энергии передатчика.

Электрификация народного хозяйства и ее значение

Ценные свойства электрической энергии были замечены еще тогда, когда наука и техника делали первые шаги с целью ее использования.
Более 100 лет назад К. Маркс и Ф. Энгельс предсказали глубокое влияние электрификации на развитие человеческого общества.

Об этом неоднократно писал и говорил В. И. Ленин. Он видел не только технические и экономические возможности, но и исключительное социальное значение электрификации.

Указывая на необходимость электрификации, В. И. Ленин не ограничивал ее роль периодом восстановления народного хозяйства и построения фундамента социализма, а видел в ней материально-техническую базу коммунистического общества. «Если не перевести Россию на иную технику, более высокую, чем прежде, не может быть речи о восстановлении народного хозяйства и о коммунизме. Коммунизм есть Советская власть плюс электрификация всей страны, ибо без электрификации поднять промышленность невозможно».
В феврале 1920 г. приступила к работе созданная по инициативе В. И. Ленина Государственная комиссия по электрификации России (ГОЭЛРО). При постоянном внимании и поддержке В. И. Ленина комиссия подготовила комплексный план восстановления и развития наиболее важных отраслей народного хозяйства на основе электрификации. В декабре того же года план был принят на VIII Всероссийском съезде Советов. Сравнительно с современным уровнем электрификации план ГОЭЛРО невелик—было намечено построить за 10 — 15 лет 30 электростанций общей мощностью 1,5 млн. кВт при годовом производстве 8,8 млрд. кВт•ч электроэнергии. Но тогда, в годы разрухи и голода, и такой план многим казался нереальным. В; И. Ленин твердо верил в успех дела и, отмечая выдающееся хозяйственное и политическое значение плана, сказал о нем: «На мой взгляд, это — наша вторая программа партии».
План ГОЭЛРО был выполнен за 10 лет, а к 1935 г. мощность построенных электростанций превысила плановые наметки почти в 2,5 раза.
О дальнейшем развитии электроэнергетики можно судить по динамике производства электрической энергии (табл. В.1).

Годовая выработка электроэнергии стремительно росла и растет в основном за счет ввода в действие новых тепловых и гидравлических электростанций. При этом на первый план выступает тенденция увеличения единичной мощности электростанций и их энерго-агрегатов.

Таблица B.1

Потребности народного хозяйства в электрической энергии непрерывно растут, этим и обусловливается рост ее производства. Для того чтобы удовлетворять эти потребности, необходимо строить не только новые электростанции, но и линии электропередачи, различные потребляющие энергию электроустановки, увеличивать производство трансформаторов, электродвигателей, коммутационной аппаратуры, электротехнических материалов, различной аппаратуры и приборов для автоматизации производственных процессов, электрификации быта и т. д.

В электрической системе (источник — линия— приемник) энергия не накапливается, т. е. одновременно с получением в генераторе она полностью преобразуется в другой вид в приемнике. Поэтому быстрый рост производства электроэнергии свидетельствует о таких же темпах электрификации в целом, включая ее передачу, распределение и использование.

В настоящее время во всем мире на производство электрической энергии используется около 1/3 всех добываемых энергоресурсов. Потребление электроэнергии растет в среднем вдвое быстрее, чем потребление энергетических ресурсов в целом. В 1960 г. произведено 2000 млрд. кВт•ч электроэнергии, а в 1975 г. — 6500 млрд. По прогнозам специалистов также примерно втрое вырастет потребление электроэнергии за период с 1980 по 2000 г. и к началу следующего века достигнет колоссальной цифры — 30 000 млрд. кВт•ч.

Еще более быстрыми темпами развивается электрификация в СССР, которая есть и будет основой непрерывного научно-технического и социального прогресса. Решается грандиозная задача — осуществление полной электрификации всей страны, создание материальной базы коммунистического общества.

Полная электрификация означает использование электрической энергии повсеместно: в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в быту. При этом особое внимание уделяется комплексной механизации и автоматизации производства с широким применением электронных вычислительных машин, электрификации тех участков и технологических процессов во всех отраслях народного хозяйства, в которых применение электрической энергии по тем или иным причинам было недостаточно.
Важнейшей задачей является рациональное использование электрической энергии, максимальное сокращение потерь в процессе ее потребления, производства, передачи и распределения.

Задача экономии ставится не только в отношении электрической энергии, а распространяется на все энергетические ресурсы. Она является частью общей большой работы по экономии и рациональному использованию всех видов материальных, трудовых и финансовых ресурсов.

В отчетном докладе XXVI съезду КПСС указано, что от выполнения этой работы, от умелого и эффективного использования всех имеющихся ресурсов зависит дальнейшее развитие экономики страны. Хозяйское отношение к общественному добру, умение полностью, целесообразно использовать все виды ресурсов съезд провозгласил одним из важнейших принципов экономической стратегии КПСС на предстоящий период.

Ориентировочные расчеты показывают, что запасов органического топлива по уровню потребления 2000 г. человечеству хватит примерно на 150 лет. При том же уровне потребления лишь 10% электроэнергии могут дать все реки мира, еще меньше в настоящее время можно ожидать от использования морских приливов, энергии ветра. Технически сильно ограничены возможности использования внутриземного тепла, энергии излучения Солнца. Таким образом, в ближайшем будущем основными источниками энергии будут органическое и ядерное топливо.

Планируемое ускорение строительства атомных электростанций вызывается не только необходимостью экономить органическое топливо, но и их решающими преимуществами в отношении загрязнения окружающей среды.
Для избавления человечества от угрозы «энергетического голода», устранения вредного воздействия на окружающую среду ученые ищут новые пути получения электрической энергии, увеличения мощности и коэффициента полезного действия установок для прямого преобразования тепловой, химической, солнечной энергии в электрическую.