Ток из разницы температур

Ток из разницы температур

Более половины сегодняшнего потребления энергии тратится на бесполезные отходы тепла, такие как тепло от холодильников и всевозможных устройств, а также тепло от фабрик и электростанций. Потери энергии в автомобилях еще больше. Автомобильным двигателям удается использовать только 30% вырабатываемой ими энергии. Разработка новой экологически чистой технологии под названием термоэлектричество перспективна. Преобразователь температура-ток может «превратить» отработанное тепло в электричество. Короче говоря, преобразователь температура-ток как технология предполагает использование перепадов температур.

Характеристики тепловой энергии

Это энергия, которая вмешивается в различные теплотворные процессы, происходящие при контакте тел с разной температурой. Пока тела поддерживают трение между собой, эта энергия будет передаваться от одного тела к другому. Вот что происходит, например, когда мы кладем руку на поверхность. Спустя некоторое время, поверхность будет иметь температуру руки, потому что он дал это ему.

Прирост или потеря этой внутренней энергии во время процесса это называется теплом. Тепловую энергию получают разными способами. Следовательно, каждое тело, имеющее определенную температуру, имеет внутри внутреннюю энергию.

Примеры тепловой энергии

Рассмотрим подробнее источники получения тепловой энергии:

• Природа и Солнце Это два источника энергии, которые обеспечивают внутреннюю энергию телам. Например, когда утюг постоянно находится на солнце, его температура повышается, потому что он поглощает внутреннюю энергию. К тому же звездный король — ярчайший пример тепловой энергии. Это самый крупный известный источник тепловой энергии. Животные, которые не могут регулировать свою температуру, используют для этого преимущества этого источника энергии.
• Кипящая вода: По мере повышения температуры воды тепловая энергия всей системы начинает умножаться. Пришло время, когда повышение температуры тепловой энергии вынудило воду к фазовому переходу.
• Камины: энергия, производимая в дымоходах, происходит за счет увеличения тепловой энергии. Здесь поддерживается сжигание органических веществ, чтобы в доме было тепло.
• Нагреватель: служит для повышения температуры воды аналогично тому, как мы кипятим.
• Экзотермические реакции которые происходят из-за сжигания некоторого топлива.
• Ядерные реакции что происходит ядерное деление. Это также происходит, когда происходит слияние ядер. Когда два атома имеют одинаковый заряд, они соединяются, образуя более тяжелое ядро, и во время процесса выделяют большое количество энергии.
• Эффект джоуля происходит, когда в проводнике циркулирует электрический ток, и кинетическая энергия электронов преобразуется во внутреннюю энергию в результате непрерывных столкновений.
• Сила трения Он также генерирует внутреннюю энергию, поскольку также происходит обмен энергией между двумя телами, будь то физический или химический процесс.

Виды преобразования электрической энергии

Вам будет интересно:Матрицы: метод Гаусса. Вычисление матрицы методом Гаусса: примеры

Канал ДНЕВНИК ПРОГРАММИСТА

Жизнь программиста и интересные обзоры всего. Подпишись, чтобы не пропустить новые видео.

Существуют разные технологические методы извлечения первичной энергии из естественных природных явлений. Но еще больше возможностей для изменения свойств и форм энергии дают аккумулированные энергоресурсы, поскольку они хранятся в удобном для трансформации виде. К наиболее распространенным формам преобразования энергии можно отнести операции излучения, нагрева, механического и химического воздействия. В наиболее сложных системах применяются процессы молекулярного распада и многоуровневые химические реакции, в которых объединяется несколько этапов преобразования.

Выбор конкретного способа трансформации будет зависеть от условий организации процесса, вида изначальной и конечной энергии. Среди самых распространенных видов энергии, которые в принципе участвуют в процессах преобразования можно выделить лучистую, механическую, тепловую, электрическую и химическую энергию. Как минимум, данные ресурсы успешно эксплуатируются в промышленности и бытовом хозяйстве. Отдельного внимания заслуживают косвенные процессы преобразования энергии, которые являются производными той или иной технологической операции. К примеру, в рамках металлургического производства требуется выполнение операций нагрева и охлаждения, в результате которых вырабатывается пар и тепло как производные, но не целевые ресурсы. В сущности, это отходные продукты переработки, которые также находят применение, подвергаются трансформации или использованию в рамках этого же предприятия.

Виды альтернативных источников энергии

В большинстве регионов человек не может существовать без тепловой и электрической энергии, обеспечивающей его жизнедеятельность; без неё невозможно развитие индустрии и цивилизации вообще. Есть три главных требования, которым должен отвечать источник альтернативного питания. Он должен быть:

• возобновляемым;
• экономичным;
• экологичным.

Солнечные батареи (фотоэлектрические модули)

Учёные давно задумывались о том, как использовать энергию Солнца, и в середине XX века это вылилось в изобретение кремниевых солнечных панелей (батарей). Они преобразовывают солнечный свет в электричество, работая бесшумно и экологично, а использовать их можно практически везде.

Главный минус фотоэлектрических модулей — высокая стоимость вырабатываемого электричества: оно почти вдвое дороже энергии, полученной традиционными способами, за счёт размеров, цены кремниевых панелей и с учётом их сравнительно невысокой производительности.

Несмотря на то, что солнечные батареи пока не слишком выгодны, прогнозы оптимистичны: вскоре их стоимость снизится и экологически чистая энергия станет доступна многим.

Солнечные коллекторы

В отличие от солнечных батарей, коллекторы — гелиоустановки — собирают тепловую энергию Солнца. Они нужны главным образом для обеспечения тепла в домах и на производствах, горячего водоснабжения. Коллекторы бывают:

• вакуумными трубчатыми;
• плоскими высокоселективными;
• воздушными и открытыми (самый простой вариант, использующийся в быту в южных регионах).

Ввиду разницы конструкций отличаются и качества высокотехнологичных систем:

• у вакуумных значительно ниже теплопотери;
• плоские заметно дороже в производстве и установке;
• вакуумные значительно проще монтировать.

Ветрогенераторы

Ветряки все видели как минимум на фотографиях — гигантские пропеллеры на высоких столбах. Одна такая 50-метровая вышка способна вырабатывать 50 кВт/ч.

Ветрогенератор состоит из:

• основы с поворотной платформой;
• пропеллера, соединённого с генератором;
• преобразующего ток аккумулятора.

В 1931 году по проекту изобретателя Уфимцева в Курске была возведена первая в мире ветроэлектростанция с инерционным аккумулятором.

Стоимость энергии, выработанной таким образом, примерно равна цене на электричество, получаемое от теплоэлектростанций, с той разницей, что воздушные потоки — бесконечный ресурс, а процесс их обработки не сопряжён с выбросом токсичных веществ в атмосферу.

Недостаток ветряков — наилучшую производительность они демонстрируют только на открытых пространствах (к примеру, в степи), где высотные здания не мешают свободному распространению воздуха. Установленные в городе, ветряные вышки теряют 30–40 % эффективности.

Гидроэнергия

Альтернативная гидроэнергетика представлена в основном тремя типами установок:

• малыми;
• волновыми;
• приливными гидроэлектростанциями.

Малые ГЭС плохо подходят для промышленного использования ввиду их небольшой мощности, но вполне могут обеспечить электричеством несколько домов. Они вырабатывают практически бесплатную энергию, а выработка не зависит от причуд погоды, как в случае с солнечными батареями и ветряными вышками.

Малые гидростанции могут быть:

• колёсными;
• пропеллерными;
• роторными (на основе ротора Дарье, вращающегося благодаря разнице давлений на лопастях);
• водопадными (они не распространены в России, потому что у нас мало водопадов).

При желании и минимальном знании физики ГЭС-самоделку можно установить даже у себя на загородном участке. Она не потребует перекрытия русла реки и формирования водохранилища.

Волновая энергетика

Волновая станция — плавучее сооружение, использующее неисчерпаемую энергию волн, потенциально очень энергоёмкое. ВЭС дороги в изготовлении и установке, хрупки (поскольку чаще всего не рассчитаны на шторма), однако получаемая с их помощью электроэнергия практически бесплатна. В России существует пока единственный такой проект — возле мыса Шульц в Приморье.

Энергия приливов и отливов

Приливы и отливы вызываются активностью Луны, поэтому такие альтернативы классическим ГЭС можно называть лунными. Они очень бережно относятся к морским обитателям и дну, в отличие от обычных электростанций, вызывающих массовую гибель планктона. Производительность приливных станций неравномерна, но это не особенно критично, поскольку они — лишь часть большой энергосистемы.

В нашей стране есть только одна ПЭС — построенная в 1968 году Кислогубская в акватории Баренцева моря. Она обеспечивает электричеством посёлок с пятитысячным населением.

Энергия температурного градиента

На разных глубинах Мирового океана температура воды отличается, часто значительно, поскольку солнечные лучи нагревают только верхние слои воды, практически не попадая в её толщу. По сути, Мировой океан — самый крупный в мире природный коллектор, накапливающий энергию. Работа электростанций основана на переносе тепла с одновременным выделением энергии — её выработается тем больше, чем сильнее температурные различия.

Электростанции, эксплуатирующие температурный градиент, разрабатывались с конца XIX века, однако до сих пор функционируют по большей части в экспериментальном режиме, обеспечивая энергией главным образом самих себя. Тем не менее, перспективы у отрасли есть, поскольку научное сообщество обеспокоено грядущим истощением природных запасов и активно ищет альтернативные источники энергии.

Энергия жидкостной диффузии

Осмотическая энергостанция использует принцип диффузии жидкостей (осмоса). Она может быть установлена только в месте, где пресная вода вливается в солёную, то есть в устьях рек. В специальном резервуаре они смешиваются, что вызывает повышение давления в отсеке с морской водой, в результате чего вращается гидротурбина.

Осмотическая станция — непрерывный возобновляемый источник энергии, существующий в мире в единственном экземпляре — в городе Тофте в Норвегии. Сейчас она тестируется, но в ближайшее время планируется её коммерческий запуск — она будет осуществлять энергоснабжение предприятий.

Геотермальная энергия

Геотермальная альтернативная энергетика использует тепловую энергию недр Земли, запасы которой практически бесконечны — людям остаётся лишь изобрести способ добывать её оттуда.

Альтернативная энергия земных недр подразделяется на:

• петротермальную — энергию сухих горных пород;
• гидротермальную — жидкостную.

Геотермальные источники располагаются на территории многих государств и используются для энергоснабжения в Новой Зеландии, Исландии, Италии, Мексике, Китае, Индонезии, Японии и др.

Такие станции не выбрасывают вредные вещества в атмосферу, не зависимы от сезона и погоды, эффективны и не требуют много места, но, кроме преимуществ, имеют и недостатки:

• они требуют бурения скважин глубиной в несколько километров;
• в воде присутствуют токсины и радиоактивные элементы, а обратная её закачка сложна и не всегда целесообразна;
• наблюдаются большие теплопотери при транспортировке и добыче;
• есть данные, что эксплуатация скважин провоцирует сейсмическую активность.

Биотопливо

Биотопливо — современная альтернатива нефтяным продуктам. Это отходы быта и производства, подготовленные к утилизации путём сжигания. Они могут быть твёрдыми (брикетированное и пеллетированное древесное сырьё, отходы сельхозпродукции), жидким (биоэтанол, биодизель и др., в основном используется как горючее для двигателей внутреннего сгорания и энергокомплексов), газообразным (газ, получаемый в результате разложения отходов при помощи бактерий).

Биотопливо считается более экономным и экологичным, чем традиционное, но журнал Science не разделяет общего энтузиазма: авторы критики считают, что введение платы за выбросы углекислого газа от ископаемого горючего при игнорировании вреда от биотоплива приведёт к повальному уничтожению лесных угодий, которые будут вырубаться ради переработки в древесные пеллеты.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Термопара из опыта Зеебека

Обозначения:

• 1 – медный проводник.
• 2 – проводник из сурьмы.
• 3 – стрелка компаса.
• А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

ИСТОЧНИКИ ПЕРВИЧНОГО ПИТАНИЯ

Как было сказано, к первичным источникам относятся устройства, преобразующие различные виды энергии в электроэнергию. Это может быть химическая, механическая энергия, световая, тепловая и энергия атомного распада.

• гидроэлектростанции – преобразуют в электроэнергию гравитационную энергию воды;
• химические источники (аккумуляторы, топливные и гальванические элементы) – переводят химическую энергию в электрическую;
• дизель-генераторы – химическая энергия преобразуется сначала в механическую, потом в электрическую;
• солнечные батареи – преобразуют энергию солнечного света в электрическую на основе физического закона фотоэффекта;
• ветряные генераторы – преобразуют кинетическую энергию воздушных частиц;
• термоэлектрические преобразователи – преобразуют тепловую энергию в электрическую.

Химические источники обычно используются в маломощных устройствах и как резервные источники. Работа топливных элементов основана на электрическом окислении топлива. В термоэлектрических устройствах электрический потенциал создает разница температур.

Мощность электрического тока. Виды и работа. Особенности

Мощность электрического тока — это количество работы, которая выполняется за определенный период. Так как работа представляет параметр изменения энергии, то мощность можно назвать характеристикой скорости передачи либо преобразования электроэнергии. С мощностью электротока человеку приходится сталкиваться и в быту и на производстве, где применяются электрические приборы. Каждый из них потребляет электроток, поэтому при их использовании всегда необходимо учитывать возможности этих приборов, в том числе заложенные в них технические характеристики.

Мощность электрического прибора имеет важнейшее значение, ведь данный показатель используется не только для расчета электрической проводки, автоматов и предохранителей, но и для решения других задач. Чем мощность электрического прибора будет больше, тем за более короткое время он сможет осуществить необходимую работу. Если сравнить между собой электрическую плитку, тепловую электропушку или электрокамин, то у них у всех разные показатели мощности. То есть они будут обогревать площадь помещения за совершенно разное время.

Мощность электрического тока также может быть вычислена по формуле:

P=A/t, которая характеризует интенсивность передачи электроэнергии, то есть работа, совершаемая током по перемещению зарядов за определенный период времени.

Здесь A – это работа, t — время, за которое работа была выполнена.

Мощность может быть двух видов: реактивной и активной.

При активной мощности осуществляется преобразование мощности электротока в энергию движения, тепла, света и иные виды. Данный перевод тока в указанные виды невозможно выполнить обратно. Активная мощность измеряется в ваттах. Один ватт равняется один Вольт умноженный на один ампер. Для бытового и производственного применения задействуются показатели на порядок больших значений: это мегаватты в киловатты.

Реактивная мощность электрического тока представляет электронагрузку, создаваемую в приборах посредством емкостной и (или) индуктивной нагрузкой.

В случае переменного тока, указанный параметр характеризуется формулой:

Q=UIsinφ

Здесь синус φ выражается сдвигом фаз, который образуется между снижением напряжения и действующим электротоком. Значение угла может находиться в пределах от 0 до 90 градусов или от 0 до -90 градусов.

Параметр Q характеризует реактивную мощность, ее можно измерить в вольт-амперах. При помощи указанной формулы можно быстро определить мощность электротока.

Реактивные и активные показатели мощности можно продемонстрировать на обычном примере: Прибор может одновременно иметь нагревающие элементы: электрический двигатель и ТЭН. На изготовление ТЭНов применяется материал, который обладает большим сопротивлением, вследствие чего при прохождении по нему тока, электроэнергия становится тепловой. В данном случае довольно-таки точно характеризуется активная мощность электротока. Если брать за основу электродвигатель то внутри него располагается обмотка из меди, которая обладает индуктивностью, что, как правило, также вызывает эффект самоиндукции.

Эффект самоиндукции обеспечивает некоторое возвращение электроэнергии непосредственно в электросеть. Данную энергию можно охарактеризовать определенным смещением в показателях по электротоку и напряжению, что приводит к нежелательным последствиям на сеть в качестве определенных перегрузок. Подобными показателями выделяются и конденсаторы вследствие собственной емкости в момент, когда весь собранный заряд направляется обратно.

В данном случае происходит смещение тока и напряжения, но в обратном перемещении. Энергия индуктивности и емкости, которые смещаются по фазе относительно параметров электрической сети и называется реактивной электромощностью. Именно обратный эффект к сдвигу фазы позволяет осуществить компенсирование мощности реактивного параметра. В результате повышается качество и эффективность электрического снабжения.

Полная мощность электрического тока характеризуется величиной, которая соответствует произведению тока и напряжения и связана с активной и реактивной мощностью следующим уравнением:

S=˅P2+Q2

Где S – полная мощность, вычисляемая корнем из произведений квадратов активной и реактивной мощностей.

Для простоты восприятия активная мощность есть там, где присутствует активная нагрузка, к примеру, спиральные нагреватели, сопротивление проводов и тому подобное. Реактивная мощность наблюдается там, где имеется реактивная нагрузка, то есть элементы индуктивности и емкости, к примеру, конденсаторы.

Принцип действия

Когда заряд движется по проводнику, то электромагнитное поле выполняет над ним работу. Данная величина характеризуется напряжением. Заряды направляются в сторону снижения потенциалов, однако для поддержания указанного процесса необходим некоторый источник энергии. Напряжение по своему показателю соответствует работе поля, которое необходимо для перемещения единичного заряда Кулона на рассматриваемом участке. При перемещении заряда возникают явления, при которых электроэнергия может приходить в другие виды энергии.

Для доставки электроэнергии от электростанции до конечного потребителя необходимо выполнить определенную работу. Для создания требуемого напряжения, то есть возможности выполнения работы электротока по перемещению заряда, применяется трансформатор. Данное устройство производит увеличение показателя напряжения. Полученный ток под высоким напряжением, иногда достигающим 10 тысяч Вольт, движется по высоковольтным проводам. При достижении места назначения, он попадает на трансформатор, который уменьшает напряжение до промышленных или бытовых показателей. Далее ток направляется на производства, в квартиры и дома.

Применение

Одним из основных элементов электроцепи является приемник электроэнергии. Именно электрические приемники служат для преобразования электроэнергии в другие виды энергии:

• Механическую: электрические двигатели и магниты.
• Тепловую: агрегаты для сварки, электрические плитки, печки для выпечки хлеба, керамические печи и тому подобное;
• Световую: лампочки накаливания, светодиодные, неоновые лампы и так далее.
• Химическую: гальванические ванны и тому подобное.

Указанные преобразования возможны лишь в том случае, если ток проходит через сопротивление необходимого уровня. То есть при перемещении зарядов по проводнику наблюдается потеря энергии, что как раз и вызвано наличием сопротивления. Если рассматривать это дело на атомарном уровне, то электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки. Это приводит к возбуждению и теп­ловому движению, вследствие чего происходит потеря энергии.

Особенности

Мощность электрического тока влияет на то, как быстро прибор сможет выполнить работу, то есть за определенное время. К примеру, дорогой обогреватель, имеющий в 2 раза большую мощность, обогреет помещение быстрее, чем два дешевых, с меньшей в 2 раза мощностью. Получается, что выгоднее купить агрегат, имеющий большую мощность, чтобы быстрее обогреть холодное помещение. Но, в то же время, такой агрегат будет тратить существенно больше энергии, чем его более дешевый аналог.

Потребляемая мощность всех приборов в доме учитывается и при подборе проводки для прокладки в доме. Если не учитывать этого и в последующем включить в сеть слишком много приборов, то это вызовет перегрузку сети. Проводка не сможет выдержать мощность электрического тока всех приборов, что приведет к плавлению изоляции, замыканию и самовоспламенению проводки. В результате может начаться пожар, который может привести к непоправимым последствиям.

Поэтому так важно знать мощности электрических приборов, чтобы правильно подобрать сечение и материал проводов или не допускать одновременного включения в сеть приборов, имеющих большую мощность.

В качества примера можно привести следующие показатели:

• Сетевой роутер требует 10-20 Вт.
• Бытовой сварочный аппарат имеет мощность 1500-5500 Вт.
• Стиральная машина потребляет мощность 350-2000 Вт.
• Электрическая плитка имеет мощность 1000-2000 Вт.
• Холодильник бытовой потребляет мощность 15-700 Вт.
• Монитор жидкокристаллический имеет мощность 2-40 Вт.
• Монитор с электролучевой трубкой потребляет 15-200 Вт.
• Системный блок ПК потребляет 100-1200 Вт.
• Электрический пылесос имеет мощность 100-3000 Вт.
• Лампа накаливания бытовая – 25-200 Вт.
• Электрический утюг – 300-2000 Вт.

Интересные особенности

Мощность электрического тока раньше благодаря Джеймсу Уатту измерялась в лошадиных силах. Однако в конце девятнадцатого века было решено присвоить мощности название Ватт, чтобы увековечить имя известного ученого и изобретателя. На тот период это случилось впервые, когда единице измерения присвоили имя ученого. Именно с этого времени пошла традиция присвоения имен ученых единицам измерения.

Мощность электрического тока молнии составляет порядка один ТераВатт, при этом происходит ее преобразование в световую и тепловую энергию. Температура внутри молнии при этом составляет 25 тысяч градусов. Молния способна ударять в одно и то же место. А согласно статистике молния попадает в мужчин примерно в 5 раз больше, чем в представителей женского пола.