Электричество

Краткая история электричества от эпохи промышленной революции до сегодняшнего дня

Изобретение первого атмосферного парового двигателя

Ланкошир Квин Стрит милл в Берне. Хлопковая фабрика с паровыми станками

Джеймс Гай Ватт. Паровой двигатель

Как изобретатели стали героями

Алессандро Луиджи Вольта. Первая в мире батарейка

Ганс Христиан Эрстед

Первый электрогенератор Фарадея

Томас Эдисон и Жозеф Суон

Турбинный генератор Парсонса

Электростанция в Драксе. 21 век

Потребление электричества в современном мире

Краткая история электричества от эпохи промышленной революции до сегодняшнего дня

Основными источниками энергии несколько столетий назад до появления электричества была сила ветра, воды и мускулов, пока не появилось электричество. История от парового двигателя и парового генератора до паровой турбины.

Первый паровой двигатель собрал кузнец Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen) в начале 18 века, и с развития паровых машин началась история развития электричества. Уже в следующем веке Фарадей открыл принципы электромагнетизма и с этого открытия началась электрическая эра.

Изобретение первого атмосферного парового двигателя

Первый "атмосферный" двигатель изобрел в 1712 году кузнец из Даркмута Томас Ньюкомен. Он придумал такую машину: при помощи угля подогревалась вода, и получался пар, далее пар переходил в конденсат и оставлял вакуум, а дальнейшую работу проделывало атмосферное давление.

Принцип работы первого атмосферного парового двигателя следующий:

В сосуде находится вода, и она подогревается и закипает. При закипании вода превращается в пар, и этот пар вытесняет воздух из сосуда, однако, если закрыть котел и прибавить холодной воды для того, чтобы пар превратился в конденсат, то пар снова превратится в жидкое состояние, но на месте воздуха образуется вакуум. Пар конденсируется под струей холодной воды и опускает поршень, а поршень передает усилие механизму, типа насоса, который и откачивает воду из шахты.

Все первые паровые двигатели были основаны на этом принципе работы.

Первые 50 лет этот двигатель применялся для откачки воды из шахт, то есть это был насос. В местных шахтах, неподалеку от того места, где жил кузнец Томас Ньюкомен, была постоянная проблема заполнения этих шахт грунтовой водой, которую надо было все время откачивать или вычерпывать. После создания такого двигателя появилась возможность делать шахты более глубокими.

Ланкошир Квин Стрит милл в Берне. Хлопковая фабрика с паровыми станками

Одной из первых фабрик по производству хлопка, там было установлено около 300 станков.

К 1860 году Ланкошир производил 50% хлопка во всем мире, а паровые двигатели увеличили это производство, и поставили его на промышленную основу. Процесс производства упростился, и продукция этой фабрики подешевела, что привело у увеличению заработной платы работников. Была создана фабричная сеть, которая создавала дешевые товары, и эти товары распространялись по всему миру.

К 1870 году Великобритания стала мировой мастерской, и все это привело к развитию не только индустриальной, но и социальной революции.

Джеймс Гай Ватт. Паровой двигатель

Джеймс Ватт (James Watt) усовершенствовал "атмосферный" двигатель Томаса Ньюкомена радикальным образом, превратив его практически в новый двигатель.

В 1763 году Джеймс Ватт был механиком в Глазго. Однажды ему принесли в ремонт модель двигателя Нькомана, который к тому времени уже обрел популярность и широкое распространение, а эта модель служила для обучения студентов в университете. Сначала для Ватта это была просто модель. Но Джеймс стал постоянно думать и размышлять об этом двигателе. Когда он начал разбираться в принципах ее работы, изучил отдельные элементы ее конструкции, разобрал ее детали, то он начал придумывать замену этим деталям и конструктивным элементам. Небольшая модель для Ватта превратилась в научный эксперимент. Он хотел усовершенствовать этот двигатель таким образом, чтобы пар использовался более эффективно.

В 1765 году Джеймса Ватта посетила идея об усовершенствовании этого двигателя. В своих письмах он описал свою идею так: "...я все время думал об этом двигателе, я проходил мимо стойла, когда мне на ум пришла идея: если соединить цилиндр с пустым котлом, то пар заполнит котел и конденсируется, не остужая цилиндра...".

Неэффективность "атмосферного" двигателя в том, что цилиндр, в котором находится поршень надо постоянно подогревать и охлаждать. Загоревшись идеей построить более эффективные и мощные паровые двигатели, он собрал первый в мире конденсатор.

Одна из первых паровых машин (1781 год) Джеймса Ватта имела такую конструкцию: пар заставлял поршни подниматься и опускаться, а зубчатая передача превращала это движение во вращательное. При помощи такой машины можно было вращать магнит внутри катушки с медным проводом для того, чтобы вырабатывать электричество.

Вскоре у Ватта появился партнер – Мэтью Болтон. Они запатентовали двигатель и конденсаторную установку. Болтон предложил продавать новые двигатели с конденсатором за недорогую цену, однако при этом требовать отчислений за сэкономленную энергию: за каждые три сэкономленные меры угля Ватт и Болтон получали стоимость одной меры. К 1800 году они выпустили и продали более 500 двигателей.

С этого момента в Британии началась промышленная революция. Однако, наличие патента на конденсатор останавливало других изобретателей от дальнейшей разработки такого двигателя, что в целом привело к тому, что паровые двигатели перестали развиваться. Но это не остановило изобретателей, и они стали появляться в других отраслях.

Генератор Фарадея был настоящим прорывом в эволюции человечества, однако, растущие потребности человека в электричестве не могли полностью обеспечить слабые паровые двигатели. Они имели очень сильную вибрацию, и из-за непрочности деталей конструкции происходили частые поломки. Человечество нуждалось в новом, более сильном и надежном двигателе.

Как изобретатели стали героями

До двадцатых годов 19 века отношение к изобретателям в обществе было негативным. Их считали жуликами в 17 веке, потому что изобретатели на свои идеи, на их реализацию просили деньги, а в 19 веке к изобретателям стали относиться как к героям.

Одним из первых таких героев изобретателей стал Джеймс Ватт. Его поддерживали родственники, друзья, а также политики и ученые, потому что они поняли, что Ватт – это герой для нового среднего класса, в противовес военным – триумфаторам наполеоновских войн (Нельсон и Велингтон). Средний класс того времени вел борьбу за избирательное право, а Нельсон и Велингтон, несмотря на то, что были героями войны, ассоциировались с богатой аристократией (кумиры других слоев).

Исходя из сложившейся политической ситуации, Ватт был объявлен народным героем, и ему же было приписано изобретение первого парового двигателя, а тех изобретателей, кто на самом деле был раньше до него, просто забыли...

Ватта объявили героем, а Ньюкомен, несмотря на свое изобретение, был просто забыт...

Алессандро Луиджи Вольта. Первая в мире батарейка

1800 год. Первую в мире батарейку придумал Алессандро Вольта (Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Gerolamo Umberto Volta). Батарейка состояла из дисков, использовалась поочередно скрепленная друг с другом медь и цинк. Между этими пластинами помещалась пропитанная кислотой бумага. Во время реакции металлов с кислотой выделялся электрический ток. Однако, этого тока хватало на непродолжительное время, ток вырабатывался лишь во время химической реакции

Ганс Христиан Эрстед

1821 год. Эрстед (Hans Christian Oersted) был одним из многих ученых того времени, которые проводили эксперименты с батарейкой Вольта. Эрстед первым обратил внимание на такой эффект: медный провод, который подсоединен к батарейке влияет на стрелку компаса. Это свидетельствовало о том, что электричество вместе с магнетизмом способны создавать движение. Так было началось изучение электромагнетизма.

Первый электрогенератор Фарадея

В двадцатые годы 19 века Майкл Фарадей (Michael Faraday) провел серию важнейших опытов по электричеству. Он работал над своими идеями на основе трудов других ученых. Фарадей изобрел собственный источник электроэнергии в 1822 году, через год после открытия Эрстеда.

Фарадей изобрел первый электромотор.

Работал этот электромотор так: проводник опущен в сосуд с ртутью, и к ней присоединен магнит, а когда через этот провод пропускается электрический ток, то проволочка начинает двигаться. Это было очень важное открытие для всего человечества. Фарадей спрашивал себя: "...если электричество и магнетизм могут порождать движение, возможно ли обратное? И можно ли при помощи движения создавать электричество?..."

Через 10 лет Фарадей придумал генератор. Он имел следующую конструкцию: на магнитный стержень длиной около 0,5 метра надевается трубочка, на которую намотан медный провод. Этот медный провод с двух сторон подключили к лампочке. Трубочку с проводом можно свободно перемещать вдоль магнитного стержня, совершая возвратно-поступательные движения. Если двигать достаточно быстро, то появляется электрический ток, и лампочка загорается. При движении катушки по магнитному полю создается электричество. Двигающийся магнит формирует из отрицательных электронов атома меди электрический ток, то есть поток электронов, которым можно управлять. Таким образом генератор преобразует механическую энергию в энергию электрическую.

Размышляя над работой своего генератора, Фарадей пришел к выводу: если увеличить магнитный стержень и катушку в размерах, то и количество электричества увеличится тоже.

В современных электростанциях, например, на генераторе электростанции в Драксе принцип работы генератора Фарадея сохранился, с той лишь разницей, что в генераторе Фарадея вращался сам генератор вокруг неподвижного магнита, а в современном генераторе наоборот, вращается магнит вокруг неподвижного провода. Электромагнит генератора Дракса совершает в минуту 3000 оборотов, а в секунду 50 оборотов. Один генератор может производить энергии 660 Мега Ватт, и на электростанции установлено 6 таких генераторов.

Томас Эдисон и Жозеф Суон

Эдисон хорошо разбирался в бизнесе и понимал, что такие изделия, как лампочки будут приносить большую прибыль.

Эдисон постоянно экспериментировал с изобретением лампочек на угольном стержне, но попытки были безуспешны, его лампочки горели недолго и света давали мало. Но однажды удача улыбнулась ему. Эдисон узнал об изобретении новой лампочки с вольфрамовой нитью русского физика изобретателя Александра Николаевича Лодыгина. Лодыгинская лампочка светила ярко и долго. Лодыгин запатентовал свою лампочку в нескольких странах Европы, но в Америке он патент не получал. Тогда Эдисон решает получить такой же патент у себя в США, но для того, чтобы обойти лодыгинский патент, Эдисон пошел на хитрость поступил как мудрый бизнесмен. Он разослал более тысячи своих агентов по всему миру по разным странам для того, чтобы найти новый материал для изготовления лампочки (но такой же по физическим и химическим свойствам). И вот, новый материал (экзотический вид бамбука) был найден в Японии. Так Эдисон запатентовал модифицированную лампочку Лодыгина, а спустя несколько лет Эдисон и вовсе перекупил у Лодыгина через подставных лиц патент на лампочку с вольфрамовой нитью накаливания.

10 октябрая 1881 года. Театр Савойа. Вышла новая опера под названием "Терпение", это произведение Гилберта и Салевана. Такого выступления зрители еще не видели. Сцену с актерами осветили электрическими лампами. Лондонский театр Савойа стал первым в мире общественным зданием, где в полной мере люди увидели всю мощь электрического освещения.

Тогда же у Эдисона возникла идея создать централизованное электроснабжение потребителей в противовес генераторам, от которых питался, например, Театр Савойа.

1882 год Холмборский виадук – была установлена первая общественная электростанция. Успех идеи Эдисона был основан на том, что людям не надо было иметь свой личный генератор.

Выглядела эта электростанция так: на уровне крыши закрепили два кабеля, а сам генератор был установлен в подвале конторы Эдисона в Лондоне. Так закончилась эра мерцающих газовых светильников, и началась эра электрических лампочек.

Турбинный генератор Парсонса

1883 год Чарьлз Парсонс работал на обслуживании паровых генераторов, принцип действия которых – превращение возвратно-поступательного движения во вращательное. Парсонс пришел к выводу о неэффективности такого двухтактного двигателя, и он размышлял о генераторах на основе турбин. Парсонс придумал турбинный генератор, двигателем которого являлось вращение турбин от пара.

Конструкция турбины была такова: Парсонс решил установить внутри турбины несколько рядов лопаток, и распределить энергию пара между ними. Это должно было работать более эффективно и более долговечно, однако появилась такая проблема – от пара вращалась только первая лопатка, а дополнительно установленные лопатки не вращались. То есть пар проходил через первый ряд лопаток, а угол лопаток первого ряда забирал энергию пара на себя, не оставляя ее для второго ряда.

Так он изобрел статор. Это статор он установил между двух рядов лопаток, и этот статор менял направление пара так, что лопатки второго ряда тоже начинали крутиться. Пар для второго ряда после статора подавался на лопатки под тем же углом, как и для первого ряда. Таким образом он сумел заставить крутиться второй ряд лопаток также быстро, как и первый ряд.

На основе этого изобретения была придумана турбина. В турбине было несколько рядов лопаток, предназначенных для действия на них постепенно уменьшающегося давления пара. Это позволило Парсонсу получить большее количество электроэнергии из того же количества пара.

Другая проблема, с которой столкнулся Паркинс – это скорость вращения. Генераторы, которые делали другие изобретатели до Паркинса могли развивать скорость до 500 оборотов в минуту, а Паркинс сумел добиться скорости вращения до 4800 оборотов в минуту. Увеличение скорости вращения позволило увеличить объем производимой электроэнергии.

1884 год. Спустя 10 лет Паркинс получил патент на реактивную паровую турбину

Электростанция в Драксе. 21 век

75% электростанций мира используют пар для того, чтобы вырабатывать электричество, в том числе и электростанция Дракс. Пар выделяется при нагревании воды, источником нагрева может быть, например, уголь. В Драксе ежедневно 30 железнодорожных поездов привозят на электростанцию более 1000 тонн угля, а за год эта электростанция сжигает более 10 000 000 тонн угля. Этот уголь засыпают в 6 больших котлов, а каждый из этих котлов имеет высоту с 15 этажный дом, и внутри этих котлов температура может достигать 568°С, а пар, который поднимается из этих котлов заставляет двигаться 6 огромнейших турбин.

Потребление электричества в современном мире

Современное развитие науки и техники привели к тому, что мир потребляет все больше и больше электроэнергии. Появляются новые аппараты, новое электрооборудование, новые машины. Однако, количество вырабатываемой электроэнергии не безгранично, поэтому современные изобретения в первую очередь уже направлены не на потребление электроэнергии, а на ее рациональное использование. Это можно проследить на примере лампы накаливания.

Лампа накаливания появилась как альтернативный способ получения света тому способу, которым могли пользоваться в древности, а именно нагреву различных предметов докрасна или добела. Таким образом получался источник освещения, но очень энергоемкий и эффективный. Со временем лампу накаливания сменили флоренсцентная и светодиодная лампы, в очередной раз снизив таким образом энергопотребление.

Ученые, инженеры и изобретатели осознают такую мысль, что ресурсы нашей планеты ограничены. Если для использования электроэнергии применяется сжигание какого-либо продукта, то он может когда-нибудь закончиться, и с каждым годом эта проблема ощущается все более остро. И кроме того, при сжигании продуктов загрязняется окружающая среда. Например, на электростанции в Драксе, которая работает на сжигании угля (отчего в атмосферу выходит много CO2), готовятся к переходу на новый вид топлива: на био топливо, температура горения которого и коэффициент полезного действия примерно схожи с характеристиками угля. Био топливо – это тростник и древесные гранулы (измельченная и гранулированная древесина). Био топливо, как и уголь, при сгорании тоже производит много CO2.

Древесное топливо не является экологически безопасным, и поэтому взгляды изобретателей обращены в получение электроэнергии из других альтернативных источников, например, из энергии солнца.

Добавить сайт в закладки

Еще по теме: