Энергия играет важную роль не только для жизни на Земле, но и в любом изменении во Вселенной. Преобразование энергии происходит постоянно изменяя свою форму.

Формы её различны и могут быть:

• химическая
• электромагнитная
• световая
• ядерная
• гравитационная
• механическая
• внутренняя или связи частиц.

Химическая

Например, при горении компонентов бензиновой смеси в автомобиле незначительная часть физической величины покоя превращается в тепло, то есть в движение частиц. С помощью поршней тепло превращается в кинетическую форму движения автомобиля.

Подобным образом горение (окисление) угля, бензина, дерева и других видов топлива представляет собой главный способ преобразования энергии из вещества в тепло и свет. Однако, это весьма неэффективный способ, потому что при этом освобождается менее одной миллиардной доли физической величины мощности покоя вещества.

Например, из одного килограмма угля освобождается около 5 000 ккал тепла, что составляет приблизительно 5 кВт/ч энергии.

Мы знаем, что один кг материи (включая и уголь) содержит энергию 25 миллиардов кВт/ч.

Таким образом, при горении используется меньше чем одна миллиардная доля, а всё остальное остается в пепле и дыме. Итак, мы видим, что горение, которое является в настоящее время главным источником энергии для человечества, – невероятно неэффективный способ получения ее из вещества.

Основной химической реакцией во всех живых организмах является окисление. Организм человека в процессе дыхания получает из воздуха кислород, в процессе питания получает углерод и водород, связанные в органических молекулах (в сахаре, белках и т.д.). При окислении углерода и водорода происходит преобразование энергии необходимое для всех жизненно важных процессов в организме.

Каждая химическая реакция означает перегруппировку атомов в молекулах. Она осуществляется при участии электромагнитного взаимодействия между атомами.

Электромагнитная

Имеется две составляющие электрическая и магнитная которые взаимодействуют и порождают друг друга. В генераторе переменного тока или динамо-машине движение превращается в электрическое движущееся поле.

Электрическая составляющая с помощью различных приборов может преобразовывать энергию в тепловую, световую, механическую, электромагнитной волны распространяющийся по пространству и т.д.

Световая

В лампах рефлекторов электричество трансформируется в движение фотонов, в свет, а тот, в свою очередь, поглощается поверхностью дороги и превращается в тепло, то есть в кинетическую форму молекул.

Вселенная состоит из частиц и фотонов представляющих собой кванты световой волны или электромагнитного излучения. Это основные элементарные частицы . Между ними беспрестанно происходит обмен энергией. Например, вещество постоянно излучает фотоны и одновременно поглощает их. Другие процессы где происходит преобразование энергии между этими составными Вселенной являются аннигиляция и материализация.

Ядерное взаимодействие

Ядерное взаимодействие гораздо сильнее электромагнитного. Оно способно освобождать из материи энергию в несколько миллионов раз большую, чем электромагнитное взаимодействие. В атомной электростанции с помощью ядерных сил получают примерно тысячную долю энергии покоя урана.

Звезды способны сделать это еще лучше человека. При превращении водорода в железо, которое происходит в недрах тяжелых звезд, освобождается почти один процент от энергетической возможности водорода.

Солнце освобождает энергию подобным образом, что и водородная бомба за счет синтеза легких элементов в тяжелые. Различие состоит в том, что Солнце это делает гораздо более совершенно, чисто, исключительно ради сохранения жизни, а не для ее уничтожения. Поэтому и обеспечивает жизнь на Земле.

Электромагнитные силы (соединение электрона с ядром или соединение молекул в кристаллы) всегда очень неэффективны.

Гравитационная

И гравитационная сила способна эффективно преобразовывать энергию, но лишь в космических телах, имеющих гигантскую массу, например, в массивных звездах, компактных ядрах галактик и пр. Там гравитация способна выжать из материи почти половину из возможного.

Земля - сравнительно малое тело, поэтому на ней невозможно получить большую величину с помощью гравитации.

Механическая

Самая объяснимая, состоящая из кинетической и потенциальной мера способности совершать работу.

Само механическое движение того или иного объекта может способствовать преобразованию энергии из одного вида в другой. В природе явление этого преобразования встречается везде.

Эту цепочку в которой происходит преобразование энергии из одной формы в другую можно было бы продолжать бесконечно.

Что можно сказать о методах прямого преобразования энергии?

Под методом прямого преобразования энергии понимается такое производство электрической энергии из тепловой, при котором число промежуточных ступеней преобразования энергии сокращается или по крайней мере процесс получения электроэнергии из тепловой упрощается. Чаще всего (но не всегда (Так, в магнитогидродинамическом методе получения электрической энергии из тепловой, который обычно относят к методам прямого преобразования энергии и о котором речь пойдет ниже, ступень преобразования тепловой энергии в механическую сохраняется. )) исключается промежуточное превращение тепловой энергии в механическую.

В более широком смысле слова под методом прямого преобразования энергии понимается получение электрической энергии не только из тепловой, но и из химической (в топливных элементах) и из энергии электромагнитного излучения (в фотоэлектропреобразователях). Именно эти вопросы рассматриваются в этом разделе. В первую очередь мы познакомимся с магнитогидродинамическим методом, так как он, по-видимому, более других разработан для получения больших количеств электроэнергии, а именно это в соответствии с темой настоящей книжки нас интересует прежде всего.

Магнитогидродинамический метод (МГД-метод). Собственно магнитогидродинамический метод преобразования тепловой энергии в электрическую основан на использовании двух типов преобразователей: теплового двигателя, напоминающего газовую турбину, преобразующего теплоту в кинетическую энергию струи газа (продуктов сгорания), и необычную электродинамическую машину, преобразующую кинетическую энергию струи газа в электрическую.

Происходит это следующим образом (рис. 23). В результате сжигания органического топлива (допустим, природного газа) образуются газообразные продукты сгорания. Необходимо, чтобы их температура была не ниже 2500° С. При этой температуре газ становится электропроводным, переходит в плазменное состояние. Другими словами, происходит ионизация газа: от молекул газа отрываются электроны. Плазма при такой относительно низкой температуре (не меньше 2500° С) ионизирована лишь частично: она состоит не только из продуктов ионизации - электрически заряженных свободных электронов и ионов (имеющих положительный заряд частиц, образующихся в результате потери молекулой одного или нескольких электронов), но и еще не подвергшихся ионизации молекул.

Чем выше температура, тем больше ионизация газа и, следовательно, его электропроводность. При температуре порядка 10 тыс. градусов любой газ ионизируется полностью - н состоит только из свободных электронов и ядер атомов.

Плазма, с которой мы встречались, рассматривая термоядерные процессы, и температура которой измеряется многими миллионами градусов, называется высокотемпературной. Плазма же, используемая в МГД-генераторах и имеющая температуру, измеряемую тысячами градусов, именуется низкотемпературной.

И чтобы низкотемпературная плазма продуктов сгорания имела достаточную электропроводность уже при температуре около 2500° С, к ней необходимо добавить одно из легкоионизирующихся веществ, обычно щелочные металлы: натрий, калий или цезий. Пары этих веществ ионизируются при более низкой температуре.

Плазма с небольшой добавкой легкоионизирующегося вещества при температуре, скажем, 2600° С (рис. 23) поступает в канал МГД-генератора и за счет уменьшения ее тепловой энергии разгоняется там до скорости, близкой к звуковой или даже более высокой. Протекая по каналу, электропроводная плазма пересекает силовые линии специально созданного магнитного поля, имеющего большую индукцию. Если направление движения потока перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, а электропроводность плазмы, скорость потока и индукция магнитного поля достаточно велики, то в соответствии с законами электродинамики в направлении, перпендикулярном и движению потока, и силовым линиям магнитного поля, от одной стенки канала к другой возникнет электрический ток, протекающий через плазму. Для этого, конечно, необходимо электроды, размещенные на противоположных стенках канала, замкнуть на внешнюю цепь.

Как видно из сказанного, принцип работы МГД-генератора не отличается от принципа работы обычного электромеханического генератора. В обоих случаях электрический проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в результате чего в проводнике генерируется эдс. В электромеханическом генераторе проводником служит электропроводящий металл ротора, а в МГД-генераторе - поток электропроводящей плазмы.

Взаимодействие электрического тока, протекающего через плазму, с магнитным потоком создает силу, тормозящую движение плазмы по каналу. Таким путем кинетическая энергия потока плазмы превращается в электрическую энергию.

В чем же привлекательная сторона МГД-генератора?

Как нам уже хорошо известно, для увеличения КПД теплового двигателя необходимо повышать начальную температуру рабочего тела. Но в тепловых двигателях ТЭС - паровых турбинах - начальную температуру водяного пара не поднимают, как уже говорилось, выше 540° С. Это объясняется тем, что наиболее ответственные элементы турбины (особенно рабочие лопатки) испытывают одновременное воздействие высокой температуры и большой механической нагрузки. В канале МГД-генератора вообще нет движущихся частей, и поэтому материал, из которого сделаны наиболее ответственные элементы конструкции, не испытывает сколько-нибудь значительных механических усилий. В этом и состоит одно из самых важных преимуществ МГД-генератора.

Читатель может заметить, что не существует материала, способного выдержать температуру 2600° С. Не делает ли это идею МГД-генератора неосуществимой?

Действительно, такого материала не существует, высокотемпературные элементы конструкции приходится охлаждать (обычно водой). Но одно дело охлаждать неподвижные элементы конструкции, как в МГД-генераторе, и совсем другое дело - вращающиеся (да еще с очень большой скоростью), как в паровой турбине.

Следует заметить, что в МГД-генераторе в качестве рабочего тела может применяться не только газ (плазма), но и жидкие металлы. В настоящее время большое внимание привлекают плазменные МГД-генераторы. Они могут быть открытого и замкнутого типа. Мы ведем речь о плазменной МГД-установке открытого типа.

На выходе из канала МГД-генератора продукты сгорания (плазма) все еще имеют высокую температуру, обычно около 2000° С. При более низкой температуре плазма делается недостаточно электропроводной и поэтому продолжение процесса в МГД-генераторе невыгодно.

В то же время продукты сгорания на выходе из канала МГД-генератора обладают еще, как сказано, высокой температурой (более высокой, чем в топке обычного котла), и их тепловую энергию, конечно, надо использовать. Проще всего решить эту задачу, сделав установку двухступенчатой (см. рис. 23).

Итак, в камеру сгорания подается топливо, легкоионизирующаяся присадка и нагретый окислитель (например, обогащенный кислородом воздух). Продукты сгорания, имеющие температуру около 2600° С, поступают через сопло в канал МГД-генератора (Канал на рисунке изображен схематично. Не показаны создающая магнитное поле магнитная система, токоотводящая система, охлаждение стенок канала. ), а из канала (при температуре около 2000° С) - в парогенератор. Здесь за счет тепла, отдаваемого уходящими газами, происходит нагревание воды, образование и перегрев водяного пара. В парогенераторе или в отдельном воздухонагревателе производится подогрев направляемого в камеру сгорания окислителя. Из парогенератора отводится (и затем используется вновь) легкоионизирующаяся присадка. Показанная на рис. 23 паросиловая часть схемы в принципе не отличается от изображенной на рис. 2 и 11 (схемы ТЭС и АЭС).

Главное преимущество МГД-электростанции в том, что она позволяет получать высокий КПД, который, по-видимому, достигнет 50-60 (Столь широкая вилка значения КПД МГД электростанции объясняется главным образом возможностью использования различных технических решений и достигнутой температурой подогрева окислителя (от 1500 до 2000° С). )против 40% для лучших ТЭС. Большинство существующих и строящихся в настоящее время опытных и опытно-промышленных МГД-установок рассчитано для работы на газовом топливе. Однако в дальнейшем более перспективно применение угля.

Другим важным преимуществом МГД-электростанций является их высокая маневренность, создаваемая возможностью полного выключения МГД-ступени.

Представленная на рис. 23 схема МГД-электростанции называется открытой потому, что рабочим телом МГД-генератора являются продукты сгорания, которые после прохождения канала и парогенератора выбрасываются в атмосферу.

В работе по созданию мощных МГД-генераторов приходится сталкиваться со сложными научно-техническими вопросами. К их числу относится проблема материалов для МГД-каналов, в первую очередь для их горячих стенок и электродов. Конечно, можно было бы с помощью интенсивного охлаждения снизить температуру стенок и электродов до вполне приемлемой, допускающей длительную эксплуатацию, но это привело бы к большой потере тепла и к снижению КПД МГД-генератора, а также к снижению температуры пристенных и приэлектродных слоев плазмы, уменьшению их электропроводности и в итоге к ухудшению работы генератора. Задача заключается в том, чтобы создать такие материалы для горячих стенок и электродов, которые могли бы работать длительно и надежно при возможно более высокой температуре. Большие надежды возлагаются на двуокись циркония в качестве материала для электродов и на окислы металлов, в частности окись магния, для горячих стенок.

Нелегкое дело создать магнитную систему, особенно при условии, что индукцию желательно иметь 5 - 6 тесла (50 - 60 тыс. гаусс), а длина канала должна быть около 20 м. Считается, что наиболее перспективной является сверхпроводящая магнитная система, охлаждаемая жидким гелием.

Есть и другие сложные, требующие решения вопросы. К их числу относится: создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменной (в МГД-генераторе получается постоянный ток), устройства для вывода легкоионизирующейся присадки, создание имеющего особенности парогенератора и некоторые другие.

Несмотря на все трудности, в Советском Союзе работы в области МГД-преобразования энергии продвинуты настолько, что в настоящее время идет работа по созданию промышленной МГД-установки мощностью около 500 МВт.

Можно предполагать, что в перспективе мощные МГД-установки будут использоваться на АЭС. Тогда место камеры сгорания займет атомный реактор, а рабочим телом МГД-генератора будут уже, конечно, не продукты сгорания, а более легкоионизирующийся газ, например гелий. Так как гелий, естественно, будет циркулировать по замкнутому контуру (схема МГД-элек-тростанции называется закрытой), то в качестве легкоионизирующейся присадки может быть использован более дорогой, но зато более существенно увеличивающий электропроводность плазмы металл цезий. С учетом всего сказанного необходимая максимальная температура гелий-цезиевой плазмы может быть ниже - порядка 1500° С (а не 2600° С, как для рассмотренной открытой схемы).

Следовательно, в атомном реакторе гелий должен быть нагрет не менее чем до 1500° С. В настоящее время таких высокотемпературных атомных реакторов не существует. Но можно надеяться, что их создание - вопрос времени.

Из других способов прямого преобразования энергии большой интерес представляет применение фото-электропреобразователей (о них уже говорилось в разделе «Солнечная энергия»), термоэлектрогенераторов, термоэмиссионных преобразователей и топливных элементов. Однако перспектива использования этих методов и устройств в большой энергетике пока еще до конца не ясна. Поэтому мы остановимся на них кратко.

Термоэлектрогенераторы (ТЭГ). Работа термоэлектрического генератора основана на хорошо известном в физике эффекте Зеебека. Он состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из различных элементов, при условии, что контакты (спаи) между ними имеют различную температуру, возникает электродвижущая сила.

На рис. 24 представлена такая электрическая цепь, состоящая из двух проводников - меди и константана (сплава меди и никеля), используемая для измерения температуры. Один из спаев находится при температуре, которую требуется измерить (t n ), а другой при постоянной температуре (t 0 ), например при практически неизменной температуре смеси воды и льда. По величине электродвижущей силы, измеряемой гальванометром, можно с высокой степенью точности определить t n .

Если составить электрическую цепь из последовательно соединенных различных материалов (обычно полупроводников), иначе говоря, цепь из отдельных термоэлементов, то получится термоэлектрический генератор. Создаваемая им электродвижущая сила будет пропорциональна числу термоэлементов.

Таким образом, термоэлемент, так же как и МГД-генератор, преобразует в электрическую энергию тепловую энергию. Следовательно, КПД термоэлемента регламентируется вторым законом термодинамики.

К сожалению, термоэлектрические генераторы пока еще дороги, а их КПД невелик. Поэтому они находят применение в качестве небольших, как правило, автономных, источников энергии.

Термоэмиссионные преобразователи (ТЭП). Если какое-либо твердое тело (металл, полупроводник) поместить в вакуум, то известное количество электронов этого тела перейдет в вакуум (Описываемое явление наблюдается и у жидкостей ). Это явление называется термоэлектронной эмиссией, а твердое тело, испускающее электроны, - эмиттером. Эмиссия электронов тем больше, чем выше температура эмиттера. В процессе эмиссии электронов эмиттер охлаждается. Через некоторое время после начала электронной эмиссии (после помещения тела в вакуум) установится равновесие: сколько электронов в единицу времени будет выходить из твердого тела за счет электронной эмиссии, столько же в него будет возвращаться в результате так называемой конденсации электронов. Охлаждения твердого тела в состоянии равновесия более не происходит.

Но можно поступить иначе: поместить в вакуум два тела (два электрода), причем к одному из них (электроду-эмиттеру) подводить тепло и поддерживать его при более высокой температуре, а от второго (электрода-коллектора) тепло отводить, с тем чтобы его температура оставалась более низкой.

Если теперь эмиттер и коллектор замкнуть внешней электрической цепью, то по ней потечет ток; описанное устройство станет источником тока, термоэмиссионным преобразователем (ТЭП). Из сказанного следует, что ТЭП (так же, как и ТЭГ) преобразует тепловую энергию в электрическую (минуя ступень механической энергии) и, следовательно, подчиняется ограничениям, установленным вторым законом термодинамики.

Если, используя ТЭП, можно было бы получать большие количества электроэнергии, а его основные технико-экономические показатели (стоимость и КПД) были благоприятны, то энергетика получила бы «в лице» ТЭП хороший электрический генератор, работающий по принципу прямого преобразования энергии.

В настоящее время еще не достигнуты такие технико-экономические показатели ТЭП, которые могли бы удовлетворить энергетику. Поэтому ТЭП пока что используются, как и ТЭГ, в случаях, когда требуются относительно малые мощности. Однако работа по улучшению показателей ТЭП ведется высокими темпами.

Топливные элементы . В топливном элементе осуществляется прямое преобразование химической энергии в электрическую. В чем заключается принцип работы и каково устройство топливного элемента?

Можно, например, сжечь водород в атмосфере кислорода. В результате образуется вода и выделяется тепло, которое затем можно использовать в теплосиловом двигателе. А можно пойти другим путем, как это и делается в топливном элементе, разделив реакцию горения водорода на два процесса, в одном из которых участвует водород, а в другом - кислород.

Схема топливного элемента представлена на рис. 25. Он состоит из двух электродов, на один из которых подается водород, а на другой - кислород, и электролита. Существенным отличием топливного элемента от электрического аккумулятора и его преимуществом является то, что запас горючего и окислителя в топливном элементе, в данном случае водорода и кислорода, непрерывно пополняется.

Водород, попадая на металлический электрод и находясь на разделе трех фаз - твердого электрода, электролита и газовой фазы, - переходит в атомарное состояние (его двухатомная молекула разделяется на атомы), а атомы делятся на свободные электроны и ядра атомов (ионы). Электроны уходят в металл, а ядра атомов- в раствор (электролит). Вследствие этого электрод насыщается отрицательно заряженными электронами, а электролит - положительно заряженными ионами.

Аналогичный процесс происходит на втором электроде, на который подается кислород. В результате проходящих у поверхности электрода процессов на нем появляются положительные электрические заряды. Кроме того, возникают отрицательные заряженные ионы ОН, которые остаются в электролите и, соединяясь с ионами водорода, образуют воду.

Если соединить внешней цепью оба электрода, то возникнет электрический ток (рис. 25). Таким путем химическая энергия превращается в электрическую. Поскольку в топливном элементе отсутствует промежуточная стадия преобразования химической энергии в тепловую, его КПД не имеет ограничений, присущих тепловому двигателю. Водород-кислородный элемент работает при низкой температуре, а его КПД вполне может достигать 65 - 70%.

Не следует, однако, думать, что создать топливный элемент просто и легко. Обычно все относительно просто, пока речь идет о схеме, но как только переходишь к ее реализации, появляется масса трудностей. Не случайно поэтому, что идея топливного элемента появилась в середине XIX в., а подходящей конструкции для широкого применения нет и по сей день.

В проблеме топливного элемента много трудностей: проведение всех процессов с большой скоростью (залог получения больших абсолютных и удельных мощностей); выбор материала и создание высококачественных электродов; создание высокоэффективных электролитов (жидких и твердых в зависимости от типа топливного элемента); возможность работы на дешевом топливе.

Общеизвестно, что каждое тело находящееся на какой-то высоте над уровнем моря (точнее на каком-то расстоянии от центра Земли) обладает потенциальной энергией.
Но поискав по интернету я не нашёл ничего такого, что позволяло бы удобным и экономичным образом воспользоваться, к примеру, энергией, которой обладает валун, находящийся на склоне Эльбруса и на высоте 1000м от уровня моря.
Или для того, чтобы использовать потенциальную энергиею кучи пустой породы, находящейся рядом с шахтным стволом глубиной 500 м.

В первом случае можно, приложив к валуну усилие, столкнуть его вниз по склону.
Валун начнёт катится вниз. Потенциальная энергия превратится в кинетическую и эту энергию можно утилизировать, используя какой-то механизм.
Однако, впоследствии мы столкнёмся с тем, что, опуская валуны катиться по склону, они начнут там внизу накапливаться и в конечном итоге сбрасывать их будет некуда. Образуется куча из этих валунов.
Для продолжения придётся очищать место.
При этом может статься так, что количество энергии, затрачиваемое на эти действия, превысит количество энергии, которое было получено от движения валунов по склону горы вниз.

Аналогично и с шахтным стволом. Ствол наполнится породой и получение энергии остановится.

Единственное решение, которое имеется на настоящее время, для преобразования потенциальной энергии в кинетическую>механическую>электрическую - это гидроэлектростанция.
Всем известно, что количество потенциальной энергии, падающего на турбину потока, увеличивается посредством постройки плотин. Удаление отработавшей на турбине воды происходит естественным образом.

В случае же с земной поверхностью энергия, которой обладают тела (грунт, порода) находящиеся на каком то расстоянии от центра земли + выше уровня моря (гора, сопка), у них уже есть. Эти тела наверх поднимать не надо.
Задача в том, чтобы эту энергию утилизировать и использовать.

Представьте себе.
http://mir-prekrasen.net/referat/2175-severnaya-amerika.html
Средняя высота земной поверхности Северной Америки 700м над уровнем моря
Площадь (включая острова) 24228000 км

Если каким-либо способом ухитриться заставить слой породы в 1 метр, составляющий земную поверхность на высоте 700м над уровнем моря, скатиться (свалиться, упасть) на уровень моря, то какое количество энергии при этом можно было бы использовать?

Посчитаем.

Один кубический метр земной поверхности, находящийся на высоте 700м над уровнем моря при изменении его положения относительно уровня моря до нулевой отметки может дать 18.5409 (Мега Джоуль).
Плотность 2,7 тонны на м. куб.

24228000000м х 700м х 1м = 16 900 000 000 000 куб м.
На высоте 700 м. в Северной Америке имеется 16 900 000 000 000 куб м. грунта, который мы собираемся спустить на 700м вниз и воспользоваться энергией, которая при этом спуске выделится.
Это будет примерно 31375000000000000 мегаджоуль энергии или 8715277777.778 гигаватт*час
Если какая-либо ТЭЦ будет иметь мощность 1000Мвт, то для выработки такого количества энергии ей потребуется 8 715 277 часов или 995 лет

Задача. Как эту энергию взять? Хотя бы мал е е е нький кусочек с соседней сопки.

Предлагайте идеи.

Экзаменационные вопросы и ответы по дисциплине

«Энергетические установки и электрооборудование судна»,

для курсантов 2-го курса «Судовождение»,

3-й семестр.

1. Принципы преобразования механической энергии в электрическую и обратно.

Элект­рические машины предназначены для преобразования механичес­кой энергии в электрическую (генераторы) и электрической энергии в механическую (двигатели). Принцип действия всех элек­тромашин основан на законе электромагнитной индукции и возник­новении электромагнитной силы.

При перемещении прямолинейного проводника, замкнутого че­рез внешнюю цепь на нагрузку, с постоянной скоростью в одно­родном магнитном поле в проводнике индуктируется неизменяю­щаяся э.д. с. электромагнитной индукции, а в замкнутой цепи возникает электрический ток (рис. 22, а) . Направление э. д. с. в про­воднике определяют по правилу правой руки (рис. 22,в), а ее вели­чину - по формуле

E = Blv sin а, (21)

где В - магнитная индукция, характеризующая интенсивность маг­нитного поля; l - активная длина проводника, пронизываемая силовыми линиями магнитного поля, м; v - скорость перемещения проводника в магнитном поле, м/с: а - угол между направлением скорости движения проводника и направлением вектора магнитной индукции.

Если проводник движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то а=90°, a э. д. с. будет максимальной:

Направление тока в проводнике совпадает с направлением э. д. с.

На проводник с током действует электромагнитная сила (Н).Эта сила препятствует перемещению проводника в магнитном поле. Направление электромагнитной силы определяют по правилу левой руки (рис. 22,г). Для ее преодоления необходима внешняя сила. Чтобы проводник перемещался с постоянной скоростью, не­обходимо приложить внешнюю силу , равную по величине и противоположно направленную электромагнитной силе.

Из сказанного следует, что механическая мощность , затрачиваемая на движение проводника в магнитном поле, пре­образуется в электрическую мощность в цепи проводника.

В судовых генераторах внешняя сила создается первичными двигателями (дизелем, турбиной).

Преобразование электрической энергии в механическую . При пропускании электрического тока одного направления через прямо­линейный проводник, расположенный в однородном магнитном по­ле, возникает электромагнитная сила, под действием ко­торой проводник перемещается в магнитном поле с линейной ско­ростью V (рис. 22,б) Направление движения проводника совпадает с направлением действия электромагнитной силы и определяется по правилу левой руки. Во время движения проводника в нем ин­дуктируется э д. с, направленная встречно напряжению U источника электроэнергии. Часть этого напряжения затрачива­ется на внутреннем сопротивлении проводника R.

Таким образом, электрическая мощность в проводнике, преобразуется в

механическую и частично расходуется на тепловые потери проводника Именно на этом принципе ос­нована работа электродвигателей.

2. Принципы получения переменного и постоянного тока.

В реальных электрических машинах проводники конструктивно изготовляют в виде рамок. Для уменьшения магнитного сопротивления машины, а следовательно, для увеличения значений э. д. с. и к. п. д. в гене­раторах, вращающего момента и к. п. д в электродвигателях ак­тивные стороны рамки укладывают в пазы цилиндрического сталь­ного сердечника (якоря), который совместно с закрепленной на нем рамкой может свободно вращаться в магнитном поле. Для этой же цели полюсам магнита придают особую форму, при которой сило­вые линии поля всегда направлены перпендикулярно направлению движения активных сторон рамки, а магнитная индукция в воздуш­ном зазоре между полюсами и якорем распределена равномерно (рис. 23,а).

Если при помощи сторонней силы якорь вместе с рамкой вра­щать в магнитном поле полюсов, то в соответствии с законом элект­ромагнитной индукции в активных сторонах аЬ и cd рамки индук­тируются э. д. с, направленные в одну сторону и суммируемые.

При переходе активных сторон через плоскость, перпендикуляр­ную магнитному полю, индуктируемые в них э. д. с. меняют свое направление. В рамке будет действовать э д. с, переменная как по величине, так и по направлению. Если концы рамки через кон­тактные кольца соединить с внешней целью, то в цепи будет протекать переменный ток.

Рис 23 Принцип получения переменного тока

1 - щетки. 2 - контактные кольца, 3 - стальной сердечник; 4 -рамка

Для выпрямления тока электрическая машина снабжена специ­альным устройством - коллектором . Простейший коллектор пред­ставляет собой два изолированных полукольца, к которым присое­диняют концы вращающейся в магнитном поле рамки (рис. 24,а).

С внешней цепью коллекторные пластины соединены при помо­щи неподвижных щеток, рабочие поверхности которых свободно скользят по вращающемуся коллектору 2. Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы они переходили с одного полукольца на другое в тот момент, когда индуктируемая в рамке э. д. с. равна нулю. При повороте на 90°, когда рамка займет горизонтальное положе­ние, в ее проводниках э. д. с. не индуктируется, так как они не пе­ресекают магнитного поля. Ток в контуре также равен нулю.

Рис 24. Принцип получения постоянного тока

При перемещении еще на 90* рамка снова займет вертикальное поло­жение, ее проводники поменяются местами и направление э. д. с и тока в них изменится. Так как щетки неподвижны, то к щетке 3 (+) по-прежнему подходит ток от рамки и далее через приемник направляется к щетке 1(-). Таким образом, во внешней цепи на­правление тока не изменяется.

График выпрямленных э д с и тока изображен на рис. 24,6. Выпрямленный ток имеет пульсирующий характер. Пульсацию то­ка можно уменьшить увеличением числа рамок, вращающихся в магнитном поле машины, и соответственно числа коллекторных пластин.

Закон сохранения энергии поистине незыблем, и многовековой опыт науки и техники приучил ученых опираться на него как на основу. Колоссальное количество технических устройств, перечислять которые можно было бы бесконечно, создано человечеством на данный момент с опорой на фундаментальные законы природы и целой вселенной. Лишь единицы, из великого множества таких устройств, можно упомянуть в качестве примера.

Лук и стрелы, колесо, весло, парус, рычаг, компас, порох, микроскоп и телескоп, паровая машина, телеграф, динамит, и электрический двигатель, лампа накаливания, трансформатор, аккумулятор, атомная бомба, транзистор, лазер, искусственные спутники и космические аппараты.

Везде строго соблюдается закон сохранения энергии: натягивая тетиву лука, человек совершает работу, при этом дуга лука запасает потенциальную энергию, которая затем преобразуется в кинетическую энергию летящей с большой скоростью стрелы; колесо, весло и рычаг ведут нас к передачам и редукторам, к преобразованию крутящего момента, сил и угловой скорости, и здесь снова имеет место преобразование энергии; аккумуляторная батарея позволяет преобразовывать химическую энергию в электрическую, а генератор - механическую энергию в электрическую и т.д.

Всюду происходит преобразование энергии. Безусловно, можно сказать, что механическая энергия расходуется, а электрическая энергия возникает, словно создается, если речь идет об электрическом генераторе, но ведь это непрерывный процесс именно преобразования энергии - непрерывного ее перехода из одного вида в другой.

Хотя нарушений закона сохранения энергии нигде в природе явным образом не проявлялось, многие изобретатели прошлого, включая великого Леонардо да Винчи, много раз делали, попытки построить такое устройство, которое могло бы совершать работу бесконечно, не потребляя при этом никаких энергетических ресурсов (так называемый вечный двигатель первого рода).

И современные исследователи продолжают делать такие попытки. Ученые же говорят, что это невозможно просто потому, что тогда бы нарушалось первое начало термодинамики, которое гласит: «в любой изолированной системе запас энергии остаётся постоянным». И действительно, представьте себе систему, полностью изолированную от окружающей среды так, что ни вещество, ни энергия в каком бы то ни было виде, не могут ни поступать в нее, ни выходить из нее.

Даже если элементарно попытаться представить, существующей в реальности, такую изолированную систему, внутри которой что-то происходит, преобразуется энергия, идут какие-то процессы, а снаружи все как было, так и есть без изменений, то какой был бы в этой системе смысл? Никакого.

Идея вечного двигателя второго рода также не состоятельна по причине противоречия второму началу термодинамики, которое гласит: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара».

В свое время на поприще прославился один европейский умелец Иоганн Эрнст Элиас Бесслер, известный как Орфериус. В 1717 году, вероятно, желая сыскать мировой славы и денег, он демонстрировал публике самодвижущееся четырехметровое деревянное колесо, которое непрерывно вращалось на оси, несмотря на видимое отсутствие снаружи приводных механизмов.

За раскрытие секрета изобретатель просил очень крупную, по тем временам, сумму денег. Многие ученые приходили и убеждались в том, что колесо без остановки вращалось, и продолжало вращаться даже спустя два месяца после первой демонстрации. Это был настоящий фурор, слухи разнеслись и за пределы Европы.

Даже Петр Первый запланировал поездку к изобретателю на 1725 год. Однако, еще до поездки Петра в Германию, на родине изобретателя со скандалом выяснилось, что колесо приводила во вращение его служанка, вместе с братом Орфериуса. Полая конструкция большого колеса все же имела скрытую передачу, шнурок от которой шел в специально приспособленную секретную комнату. После разоблачения изобретатель своими руками разрушил колесо и покинул свой город.

Вернемся к сегодняшнему дню. Если набрать в поисковике на Youtube «free energy» или , то станет очевидным обилие в современном мире реализаций так называемых . Как правило, это автономные конструкции, совершающие электрическую работу в виде питания ламп накаливания или электродвигателей.

Начиная примерно с 2011 года, в сеть Интернет регулярно попадают видеозаписи, на которых некий электрический или электромеханический преобразователь подключается на несколько секунд к аккумулятору, батарейке или к сети 220 вольт, после чего питание отключается, а устройство отдает мощность в нагрузку и буквально «питает само себя».

Бывают и совсем немыслимые варианты на постоянных магнитах, сообщающих непрерывное вращение ротору генератора с подключенной к нему нагрузкой в виде ламп. Это кажется невероятным, поскольку складывается впечатление, что либо устройство неведомым образом производит энергию, нарушая все известные физические законы, либо автор видеозаписи умышленно вводит публику в заблуждение, пытаясь таким образом развлечься или мошенническим путем получить доход.

Но невольно возникает вопрос о целесообразности таких поступков, ведь на роликах много не заработаешь, а публичные демонстрации фальшивок рано или поздно будут разоблачены. Кому и зачем нужно заниматься этими сомнительными трюками?

Зачастую изобретатели утверждают, что энергия, которую преобразуют их устройства - это энергия из окружающей среды, - та энергия, которую при определенных условиях можно собирать и преобразовывать хоть в постоянный, хоть в переменный ток нужного напряжения.

Большое значение уделяется явлению электрического резонанса, качеству заземления, и применению высокого напряжения, благодаря чему, как утверждают изобретатели, и создаются условия для поступления энергии в их устройства.

Также постоянно фигурирует имя знаменитого ученого . И действительно, электрический резонанс в электрическом преобразователе - это то условие, когда преобразователь работает с наибольшей эффективностью, именно так говорил и писал сам Тесла о своих преобразователях.

Кроме того, один из исследователей этого нового направления, на одной из первых, наделавших много шума, демонстраций, утверждал, что именно развивая схемы Тесла, ему удалось получить этот невероятный эффект. Он смог преобразовать энергию из окружающей среды в удобную для использования форму. Этот гениальный изобретатель из Грузии вдохновил своим успешным примером многих экспериментаторов по всему миру на самостоятельные исследования.

Еще одним последователем Тесла, развивающим его идеи относительно генерации, преобразования и передачи электрической энергии, был (совсем недавно умер своей смертью в возрасте около 90 лет) американский исследователь Дональд Ли Смит, который, много лет будучи работником нефтяной промышленности, занимался изучением всех доступных теоретических данных об энергии, электрическом и магнитном полях Земли, и строил на основе своих представлений высоковольтные резонансные устройства, которые могли также служить приемниками энергии из окружающей среды.

Развивая идеи Тесла, Смит построил более 200 различных устройств, каждое из которых могло питать электрическую нагрузку гораздо большей мощности, чем само устройство потребляло, например, от аккумуляторной батареи.

На публичной демонстрации в 1996 году Смит продемонстрировал широкой аудитории одно из таких устройств, которым он запитал 10 ламп накаливания по 100 Ватт, причем самому устройству требовалось лишь заземление и пусковой источник энергии в виде аккумулятора на 12 вольт, емкостью 6 ампер-часов.

Специалисты, проводившие замеры, констатировали, что если бы устройство работало просто по принципу повышающего инвертора, то батарея должна была бы давать ток силой 83 Ампера, что нереально для такой маленькой батареи, которая применялась для запуска.

Разработки Смита также вдохновляют многих экспериментаторов, и есть случаи успешных повторов его устройств во многих странах мира.

Как на территории бывшего Советского Союза, так и в Европе есть, ставшие уже известными, благодаря своим работам, экспериментаторы - радиолюбители, демонстрирующие подобные электрические установки, которые, будучи приведены в действие от батарейки, способны отдавать в нагрузку по несколько киловатт электрической энергии. Как и в предыдущих случаях, утверждается, что главное в устройствах - резонанс, высокое напряжение, и качественное заземление.

Здесь будет уместным вспомнить о том, что наша планета обладает очень большим отрицательным электрическим зарядом, а верхние слои атмосферы, ионосфера, вплоть до термосферы, в силу сильной ионизации космическими лучами, - большим положительным электрическим зарядом.

Вполне возможно, что именно эта энергия каким-то образом преобразуется устройствами в приемлемый для использования вид, ведь и у поверхности земли электрическое поле обладает некоторой реальной напряженностью. Демонстрации проводятся в самых обычных бытовых условиях, поэтому вполне закономерны и логичны сомнения и гневные комментарии к ним от многих пользователей Интернет, просматривающих эти видео.

Встречаются и механические варианты необычных генерирующих устройств, когда привод осуществляется посредством асинхронного или коллекторного двигателя, затем осуществляется понижение оборотов передачей, с увеличением крутящего момента, который затем передается на вал многополюсного (низкооборотного) генератора постоянного или переменного тока. Генератор питает нагрузку и приводной двигатель.

Это кажется невозможным, однако есть случаи очень убедительных свидетельств о том, что та или иная компания в той или иной стране выпускает такие системы, сдает их в аренду или даже продает. Примером может служить установка, недавно продемонстрированная в Румынии.

Автор произвел запуск механической системы от розетки, а затем воспользовался энергией, которую развило устройство, для питания болгарки, циркулярной пилы и мощного . Стабилизирующий маховик, вращение которого можно было отчетливо наблюдать, продолжал вращаться, показывая, что определенный уровень энергии все время поддерживается в процессе работы установки. Разумеется, шквал критики обрушился и на этого изобретателя.

Как утверждает сам румынский исследователь, его устройство работает благодаря механике.

Между тем встает вопрос о том, правомерно ли вообще считать разные виды энергии и работы полностью тождественными? Может быть, в этом кроется причина реальной возможности построения таких устройств альтернативной энергетики?

В прочем, здесь мнений может быть масса. Факт остается фактом - природа таит в себе еще много загадок, о которых не написано в учебниках, и которые человечеству еще предстоит изучить и направить в полезное русло. Верить или не верить - каждый пусть решает сам.