Добываем атмосферное электричество
Вся жизнь человечества, так или иначе, построена на использовании энергии, борьба за эффективность источников которой (а также за принципиальную их доступность) — идёт не прекращаясь. Тем не менее существует общедоступный источник, абсолютно бесплатный и многократно описанный в литературе — атмосферное электричество. Здесь подразумевается не добыча энергии, например, с использованием энергии ветра, а непосредственное извлечение её из воздушного океана.
И именно об этом мы и поговорим в этой статье.
▍ Немного теории
Сама планета Земля является хорошим хранилищем энергии, к которому имеет смысл обратиться, так как она окружена мощным электрическим полем, источником которого являются природные явления (однако физика происходящего не до конца понятна даже учёным. Об этом ниже).
Принято считать, что поверхность Земли заряжена отрицательно и величина заряда составляет 5*10^5 Кл, следствием чего является напряжённость электрического поля у поверхности порядка 130 В/м летом и порядка 300 В/м зимой.
Подобная напряжённость не является чем-то выдающимся, так как перед грозой напряжённость может возрастать до десятков киловольт на метр. Однако люди не чувствуют подобное благодаря воздуху, который является хорошим изолятором.
Напряжённость поля уменьшается с увеличением высоты и практически сходит на нет, на высоте порядка 10 км. В свою очередь, на высоте в несколько десятков километров находится слой положительно заряженных ионов (ионосфера), величина заряда которого компенсирует отрицательный заряд поверхности Земли.
Таким образом, можно сказать, что атмосфера является изолятором между двумя обкладками этого своеобразного гигантского «конденсатора». Причём именно с процессами заряда этого конденсатора и связаны основные противоречия расчётов, которые не разрешены до сих пор. Основным противоречием является понимание того, что любой конденсатор имеет токи утечки, которые для Земли, если пересчитать их на площадь её поверхности, составляют порядка 1800 А, в то время как общая величина электрического заряда составляет порядка 5,7*10^5 Кл.
Из этого следует, что полностью земной конденсатор должен был бы по идее разрядиться за период времени не более 10 минут (чего, однако, мы не видим на практике). То есть, налицо наличие существования некоего генератора, который постоянно подзаряжает этот природный конденсатор, причём мощность этого генератора должна составлять более 700 мегаватт! Что это такое и каковы его механизмы функционирования, — наука до сих пор не может сказать определённо, несмотря на наличие множества теорий.
▍ Способы добычи электричества
Все идеи посвящённые добыче атмосферного электричества, так или иначе, базируются на простом изначальном принципе: как можно выше поднять проводник с поверхности земли. Таким образом, верхняя часть проводника будет заряжена положительно, а нижняя часть — отрицательно.
Но тут сразу встаёт в полный рост пара проблем:
- физически затруднительно поднять проводник на более-менее большую высоту;
- ток не потечёт просто так от одного полюса к другому (не забываем, что атмосфера является хорошим изолятором).
Однако вполне реально им помочь в этом процессе и для этого хорошо сработает коронный разряд, благодаря которому электроны постоянно будут высвобождаться из кончика проводника и улетать атмосферу, а благодаря даже минимальному движению атмосферных масс, поблизости от верхнего кончика проводника не будет происходить насыщение. Как альтернатива, в качестве подобного разрядника может выступить и катушка Тесла (кстати сказать, подобный способ уже запатентован).
Говоря по поводу силы ветра, можно в общем случае сказать, что в среднем, начиная с высот в 160 м — происходит удвоение скорости ветра, по сравнению с высотой в 10 м (одной из причин увеличения скорости ветра является снижение атмосферного давления, и, следовательно, уменьшение силы трения). Причём в приземном слое величина скорости ветра является достаточно плавающей величиной и стабилизируется с высотой, где на отметке в 400-500 м скорость ветра может достигать 17 м/с (летом) и более (зимой).
Нельзя сказать, что эксперименты с атмосферным электричеством начались только сейчас, одними из первых исследователей его принято считать Бенджамина Франклина (в США) и в России, Георга Рихмана (был убит молнией, во время экспериментов).
В дальнейшем эксперименты продолжились, и, например, исследователь Плаузон в ходе своего опыта поднял воздушный шар на 274 м (300 ярдов) и смог с него снять порядка 400 вольт напряжения и 1.8 А тока.
Воздушный шар был изготовлен из тонких алюминиевых листов, утыканных снаружи иголками, для увеличения ионизации вокруг острия которых, они были покрыты солями радия (по сути, аналог подхода с коронным разрядом). Для усиления эффекта — алюминиевые листы были покрыты фотоэлектрическим составом, что позволяло дополнительно генерировать энергию на свету.
Картинка Елена Ветрова
Как отмечал Плаузон, «сто подобных шаров должны генерировать порядка 70 кВт летом, и до 280 кВт зимой».
В дальнейшем он продолжил свои эксперименты и построил в Альпах между двумя вершинами более мощный вариант своего коллектора атмосферной энергии и даже получил патент на него (US1540998):
Картинка Елена Ветрова
Желающие ознакомиться с устройством, могут найти книгу, где он подробно изложил суть технологии в целом: «Gewinnung und Verwertung der Atmosphärischen Elektrizität» (1920 г.)
Ещё один исследователь, Жюль Гийо, смог построить в 1920-х годах так называемый «электрический сифон», который смог вырабатывать порядка 2,5-3 кВт при подъёме антенны на высоту около 20 м.
Антенна настольного типа, с высотой порядка 2 м давала около 300 Вт выходной мощности.
Картинки Елена Ветрова
Как заявлял сам изобретатель, подобного типа сифоны служат для сбора электричества из воздуха, при помощи создания магнитного поля. Для запуска системы использовалась катушка Румкорфа — электромеханический преобразователь постоянного низкого напряжения в высокое переменное напряжение.
В наше время испытатели также проводят эти увлекательные опыты, которые дают пищу для размышлений. Например, основатель ресурса lasersaber провёл эксперимент, в ходе которого он с использованием дрона-гексакоптера поднял конец тонкого электрического провода на высоту порядка 30 м, при этом второй конец провода был подсоединён к электростатическому двигателю, часть коронирующих электродов которого была заземлена. Этого оказалось достаточно, чтобы привести двигатель в движение:
Небольшая справка: принцип действия подобного двигателя заключается в перетекании зарядов по поверхности вращающегося ротора, от одного коронирующего электрода — к другому, с использованием вращающегося ротора, который выступает переносчиком зарядов (показано ниже, на схеме). От угла наклона электродов зависит направление вращения ротора двигателя:
Некоторые из подобных двигателей выглядят весьма впечатляюще:
В показанном выше опыте с подъёмом провода с использованием гексакоптера является довольно любопытным то, что коронный разряд возникает в основании вертикального проводника, в двигателе, а не на его макушке (как, по идее, положено). Видимо, здесь просто теоретически эффективность могла бы быть выше (с разрядом наверху), но даже такого достаточно для работы системы.
Тем не менее — сам принцип является вполне рабочим и даже российские изобретатели не обходят его своим вниманием. Например, известен следующий патент системы извлечения энергии из атмосферы, который на схеме достаточно подробно объясняет суть функционирования устройства:
Картинка otlad.ru
И даже строят полноразмерные устройства (вполне работающие!):
Как уже озвучивалось выше, одной из существенных проблем является необходимость подъёма приёмной антенны на более-менее значительную высоту, чтобы воспользоваться преимуществами градиента поля на данном промежутке.
Некоторые из российских учёных пытаются бороться с этим, разрабатывая устройства, которые не требуют подъёма антенны на существенные высоты.
Устройство, рассмотренное в статье Касьянова Г.Т., как раз и обладает указанным преимуществом:
Картинка natural-sciences.ru
Где на картинке: 1 — антенна; 2 — генератор переменного напряжения, запитанный от аккумулятора; 3 — высоковольтный трансформатор; 4 — полезная нагрузка (по умолчанию — резистор в несколько кОм); 5 — заземление.
В качестве антенны в указанном устройстве использована пластина площадью порядка одного квадратного метра (металлическая или металлизированная), расположенная на такой низкой высоте, что об использовании градиента электрического поля Земли говорить не приходится (конкретная высота в статье не уточняется).
Работает устройство, если вкратце, следующим образом: на антенну подаётся ток высокого напряжения 800-1000 В, с частотой порядка нескольких десятков кГц.
При этом антенну начинает окружать высоковольтное электрическое поле, поляризующее молекулы воздуха, благодаря чему они превращаются в диполи, и упорядочиваются согласно линий напряжённости этого поля, что, в свою очередь, вызывает увеличение плотности заряда у поверхности антенны.
В практических опытах создателям устройства удавалось снять с него порядка 20 Вт выходной мощности, при этом потребление устройства составило не более 9,5 Вт.
Подобное небольшое устройство в теории существенно упрощает процесс извлечения атмосферного электричества и делает его более надёжным.
Подытоживая рассказ, хочется сказать, что использование атмосферного электричества в качестве источника энергии является очень интересным, ввиду его потенциала и незадействованности должным образом в деятельности человека на данный момент. Тем не менее — проработка подобных способов генерации электроэнергии может дать человечеству потенциально чистый источник бесконечной (условно) энергии.
Однако существуют и потенциальные сложности, из-за необходимости подъёма на большие высоты токосъёмных антенн (что само по себе проблемно, так как погода имеет переменчивый характер, конечно, если рассматривается высотный вариант), а также ввиду того, что, как отмечают некоторые из исследователей, подобные устройства хорошо притягивают молнии.
Незадействованный потенциал такой интересной темы вполне заслуживает того, чтобы присмотреться к ней внимательнее.
- атмосферное электричество
- ruvds_статьи
Как альтернативные источники энергии помогают получать тепло и электричество
Ухудшение экологии и истощение природных ресурсов заставляет задумываться о том, как получать электричество и тепло из возобновляемых источников.
В этой статье рассказываем, как работает альтернативная энергия и почему многие страны делают выбор в её пользу.
Что такое альтернативная энергия?
Энергия бывает возобновляемой (альтернативной) и невозобновляемой (традиционной).
Альтернативные источники энергии – это обычные природные явления, неисчерпаемые ресурсы, которые вырабатываются естественным образом. Такая энергия ещё называется регенеративной или «зелёной».
Невозобновляемые источники – это нефть, природный газ и уголь. Им ищут замену, потому что они могут закончиться. Ещё их использование связано с выбросом углекислого газа, парниковым эффектом и глобальным потеплением.
Человечество получает энергию, в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и работы атомных электростанций. Альтернативная энергетика – это методы, которые отдают энергию более экологичным способом и приносят меньше вреда. Она нужна не только для промышленных целей, но и в простых домах для отопления, горячей воды, освещения, работы электроники.
Ресурсы возобновляемой энергии
- Солнечный свет
- Водные потоки
- Ветер
- Приливы
- Биотопливо (топливо из растительного или животного сырья)
- Геотермальная теплота (недра Земли)
Альтернативные виды энергии
1. Солнечная энергия
Один из самых мощных видов альтернативных источников энергии. Чаще всего её преобразуют в электричество солнечными батареями. Всей планете на целый год хватит энергии, которую солнце посылает на Землю за день. Впрочем, от общего объёма годовая выработка электроэнергии на солнечных электростанциях не превышает 2%.
Основные недостатки – зависимость от погоды и времени суток. Для северных стран извлекать солнечную энергию невыгодно. Конструкции дорогие, за ними нужно «ухаживать» и вовремя утилизировать сами фотоэлементы, в которых содержатся ядовитые вещества (свинец, галлий, мышьяк). Для высокой выработки необходимы огромные площади.
Солнечное электричество распространено там, где оно дешевле обычного: отдалённые обитаемые острова и фермерские участки, космические и морские станции. В тёплых странах с высокими тарифами на электроэнергию, оно может покрывать нужны обычного дома. Например, в Израиле 80% воды нагревается солнечной энергией.
Батареи также устанавливают на беспилотные автомобили, самолёты, дирижабли, поезда Hyperloop .
2. Ветроэнергетика
Запасов энергии ветра в 100 раз больше запасов энергии всех рек на планете. Ветровые станции помогают преобразовывать ветер в электрическую, тепловую и механическую энергию. Главное оборудование – ветрогенераторы (для образования электричества) и ветровые мельницы (для механической энергии).
Этот вид возобновляемой энергии хорошо развит – особенно в Дании, Португалии, Испании, Ирландии и Германии. К началу 2016 года мощность всех ветрогенераторов обогнала суммарную установленную мощность атомной энергетики.
Недостаток в том, что её нельзя контролировать (сила ветра непостоянна). Ещё ветроустановки могут вызывать радиопомехи и влиять на климат, потому что забирают часть кинетической энергии ветра – правда, учёные пока не знают хорошо это или плохо.
3. Гидроэнергия
Чтобы преобразовать движение воды в электричество нужны гидроэлектростанции (ГЭС) с плотинами и водохранилищами. Их ставят на реках с сильным потоком, которые не пересыхают. Плотины строят для того, чтобы добиться определённого напора воды – он заставляет двигаться лопасти гидротурбины, а она приводит в действие электрогенераторы.
Строить ГЭС дороже и сложнее относительно обычных электростанций, но цена электричества (на российских ГЭС) в два раза ниже. Турбины могут работать в разных режимах мощности и контролировать выработку электричества.
4. Волновая энергетика
Есть много способов генерации электричества из волн, но эффективно работают только три. Они различаются по типу установок на воде. Это камеры, нижняя часть которых погружена в воду, поплавки или установки с искусственным атоллом.
Такие волновые электростанции передают кинетическую энергию морских или океанических волн по кабелю на сушу, где она на специальных станциях преобразуется в электричество.
Этот вид используется мало – 1% от всего производства электроэнергии в мире. Системы тоже дорогие и для них нужен удобный выход к воде, который есть не у каждой страны.
5. Энергия приливов и отливов
Эту энергию берут от естественного подъёма и спада уровня воды. Электростанции ставят только вдоль берега, а перепад воды должен быть не меньше 5 метров. Для генерации электричества строят приливные станции, дамбы и турбины.
Приливы и отливы хорошо изучены, поэтому этот источник более предсказуем относительно других. Но освоение технологий было медленным и их доля в глобальном производстве мала. Кроме того, приливные циклы не всегда соответствуют норме потребления электричества.
6. Энергия температурного градиента (гидротермальная энергия)
Морская вода имеет неодинаковую температуру на поверхности и в глубине океана. Используя эту разницу, получают электроэнергию.
Первая установка, которая даёт электричество за счёт температуры океана была сделана ещё в 1930 году. Сейчас есть океанические электростанции закрытого, открытого и комбинированного типа в США и Японии.
7. Энергия жидкостной диффузии
Это новый вид альтернативного источника энергии. Осмотическая электростанция, установленная в устье реки, контролирует смешение солёной и пресной воды и извлекает энергию из энтропии жидкостей.
Выравнивание концентрации солей даёт избыточное давление, которое запускает вращение гидротурбины. Пока есть только одна такая энергетическая установка в Норвегии.
8. Геотермальная энергия
Геотермальные станции берут внутреннюю энергию Земли – горячую воду и пар. Их ставят в вулканических районах, где вода у поверхности или добраться до неё можно пробурив скважину (от 3 до 10 км.).
Извлекаемая вода отапливает здания напрямую или через теплообменный блок. Ещё её перерабатывают в электричество, когда горячий пар вращает турбину, соединённую с электрогенератором.
Недостатки: цена, угроза температуре Земли, выбросы углекислого газа и сероводорода.
Больше всего геотермальных станций в США, Филиппинах, Индонезии, Мексике и Исландии.
9. Биотопливо
- Первое поколение – твёрдое, жидкое и газообразное биотопливо (газ от переработки отходов). Например, дрова, биодизель и метан.
- Второе поколение – топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала, или специально выращенных культур).
- Третье поколение – биотопливо из водорослей.
Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.
Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.
Плюсы и минусы альтернативной энергии
Главная перспектива альтернативных источников – существования человечества даже в условиях жёсткого дефицита нефти, газа и угля.
Преимущества:
- Доступность – не нужно обладать нефтяными или газовыми месторождениями. Правда, это относится не ко всем видам. Страны без выхода к морю не смогут получать волновую энергию, а геотермальную можно преобразовывать только в вулканических районах.
- Экологичность – при образовании тепла и электричества нет вредных выбросов в окружающую среду.
- Экономия – полученная энергия имеет низкую себестоимость.
Недостатки и проблемы:
- Траты на этапе строительства и обслуживание – оборудование и расходные материалы дорогие. Из-за этого повышается итоговая цена электроэнергии, поэтому она не всегда оправдана экономически. Сейчас главная задача разработчиков снизить себестоимость установок.
- Зависимость от внешних факторов: невозможно контролировать силу ветра, уровень приливов, результат переработки солнечной энергии зависит от географии страны.
- Низкий КПД и маленькая мощность установок (кроме ГЭС). Вырабатываемая мощность не всегда соответствует уровню потребления.
- Влияние на климат. Например, спрос на биотопливо привёл к сокращению посевных площадей для продовольственных культур, а плотины для ГЭС изменили характер рыбных хозяйств.
Возобновляемая энергия в мире
Главный потребитель возобновляемых источников энергии – Евросоюз. В некоторых странах альтернативная энергетика вырабатывает почти 40% от всей электроэнергии. Там уже прижились разные меры поддержки: скидочные тарифы на подключение и возврат денег за покупку оборудования. Не отстают страны Востока и США.
Германия
40% электроэнергии в Германии дают возобновляемые источники. Она лидер по числу ветровых установок, которые генерируют 20,4 % электричества. Оставшаяся доля приходится на гидроэнергетику, биоэнергетику и солнечную энергетику. Немецкое правительство поставило план: вырабатывать 80% энергии за счёт альтернативных источников к 2050 году, но закрывать атомные электростанции пока не хочет.
Исландия
У Исландии очень много горячей воды, потому что она расположилась в зоне вулканической активности. Страна обеспечивает 85% домов отоплением из геотермальных источников и покрывает ими 65% потребностей населения в электроэнергии. Мощность источников настолько велика, что они хотят наладить экспорт энергии в Великобританию.
Швеция
После нефтяного кризиса 1973 года страна стала искать другие источники энергии. Началось всё с ГЭС и АЭС. Из-за атомных станций шведов часто критиковали Greenpeace, но с конца 80-х доля энергии от АЭС не растёт.
Начиная с 90-х Швеция строит оффшорные ветропарки в море. На выбросы предприятиями углерода в атмосферу введён дополнительный налог, а для производителей ветровой, солнечной и биоэнергии есть льготы.
Ещё Швеция активно использует энергию от переработки мусора и даже планирует его закупать у соседних стран, чтобы отказаться от нефти. Некоторые города получают тепло от мусоросжигательных заводов.
Китай
В Китае самая мощная ГЭС в мире – «Три ущелья». По состоянию на 2018 год – это крупнейшее по массе сооружение. Её сплошная бетонная плотина весит 65,5 млн тонн. За 2014 станция произвела рекордные для мира 98,8 млрд кВт⋅ч.
Крупнейшие ветровые ресурсы тоже здесь (три четверти из них поставлены в море). К 2020 году страна планирует выработать при их помощи 210 ГВт.
Ещё тут 2 700 геотермальных источников и делают 63% устройств для преобразования солнечной энергии. Китай занимает третье место в производстве биотоплива на основе этанола.
Альтернативная энергия в России
Разное географическое положение регионов и специфика климатических поясов в России не позволяют развивать эту отрасль равномерно. Нет инвестиций и есть пробелы в законе.
Виды возобновляемой энергии в России
Солнечная энергия
Используется и в промышленных масштабах, и у местного населения как резервный или основной источник тепла и электричества. Мощность всех солнечных установок – 400 МВт, из них самые крупные в Самарской, Астраханской, Оренбургской областях и Крыму. Самая мощная СЭС – «Владиславовка» (Крым). Ещё разрабатываются проекты для Сибири и Дальнего Востока.
Ветровая энергетика
Ветровая возобновляемая энергия в России представлена чуть хуже, чем солнечная, хотя и здесь есть промышленные установки. Общая мощность ветровых генераторов в нашей стране – 183,9 МВт (0,08 % от всей энергосистемы). Больше всего установок – в Крыму, а мощнейшая находится в Адыгее – «Адыгейская ВЭС».
Гидроэнергетика
Это самый популярный вариант альтернативного источника энергии в России. Около 200 речных ГЭС вырабатывают до 20% от всей энергии в стране. В заливе Кислая губа в Мурманской области с 1968 года есть приливная электростанция – «Кислогубская ПЭС». Самая крупная ГЭС стоит на реке Енисей – «Саяно-Шушенская».
Геотермальная энергетика
За счёт обилия вулканов этот вид энергетики распространён на Камчатке. Там 40% потребляемой энергии генерируется на геотермальных источниках. По данным учёных, потенциал Камчатки оценивается в 5000 МВт, а вырабатывается только 80 МВт энергии в год. Ещё геотермальные станции есть на Курилах, Ставропольском и Краснодарском крае.
Биотопливо
Наша страна входит в тройку экспортёров пеллет на европейском рынке. В России есть заводы, создающие из остатков древесины пеллеты и брикеты, которыми топят котлы и печки.
Сельскохозяйственные отходы преобразуют в жидкое топливо и биогаз для дизельных двигателей. А вот свалочный газ не используется вообще, его просто выбрасывают в атмосферу, нанося ущерб окружающей среде.
Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии
Рост инвестиций в возобновляемую энергетику и поддержка правительства помогает многим компаниям успешно вести бизнес.
First Solar Inc.
Эта американская компания была образована в 1990 году и стала известной благодаря производству солнечных батарей. Сейчас это крупнейшая фирма, которая продаёт солнечные модули, поставляет оборудование и отвечает за технический сервис.
Vestas Wind Systems A/S
Старейший производитель ветрогенераторов из Дании. Компания основана в 1898 году и на сегодняшний день ей удалось установить более 60 тысяч ветровых турбин в 63 странах. Vestas продаёт отдельные генераторы, комплексные станции и обслуживает устройства.
Atlantica Yield PLC
Эта компания с офисом в Лондоне владеет классическими линиями электропередач, солнечными и ветровыми станциями в Северной Америке, Испании, Алжире, Южной Америке и Южной Африке.
ABB Ltd. Asea Brown Boveri
Шведско-швейцарская компания, известная автомобильными двигателями, генераторами и робототехникой. С 1999 года бренд занимается преобразованием солнечной и ветровой энергии. В 2013 году компания стала мировым лидером в области оборудования фотоэлектрической энергии.
Исследовательская работа «Природное электричество»
За год мы сжигаем от 9 до 20 млрд. тонн топлива. Тяжело дышится от выхлопных газов на улицах наших городов и посёлков. Мы постоянно слышим об озоновых дырах, о загрязнении мирового океана, о страшных последствиях радиационных катастроф.
В своей работе мы обратили внимание на возобновляемые источники энергии как наиболее экологичные.
Не все знают о существовании природного электричества. Идея исследования была узнать, что такое природное электричество, раскрыть возможности природного электричества, найти альтернативные источники энергии, которые не загрязняют окружающую среду
Целью работы являлось выявление различных способов получения электроэнергии и экспериментальное подтверждение некоторых из них, построение действующих моделей с помощью лего -конструкторов.
Если электростанции получают электрический ток, используя природные ресурсы, то возможно ли получение тока с помощью других необычных источников тока, а именно овощей и фруктов а также лего-моделей? Мы поставили перед собой задачу изучить литературу по данной теме, узнать, что такое природное электричество, провести эксперименты по получению электричества из овощей, фруктов а также собрать лего- модели-возобновляемые источники энергии. Нами были использованы теоретический и экспериментальный методы исследования.
Мы протестировали работу моделей и выяснили, что в наших климатических условиях можно использовать ветроэнергетику, солнечную энергию,гидроэнергию.
Практическая значимость данного исследования заключается в использовании сконструированных моделей на уроках физики.
В результате были сконструированы и собраны действующие модели гидротурбины, ветряного двигателя и солнечной батареи.
Новизной данной работы является использование лего конструкторов для получения электрического тока. Сейчас в РФ за счет нетрадиционных источников получают 1% энергии, что конечно очень мало. Мы своей работой хотим обратить внимание на эту проблему.
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
 Исследовательская работа «Природное электричество» |
29.67 КБ |
Предварительный просмотр:
Ученик 7 класса
МКОУ «Вихоревская СОШ № 10»
Вольных Ольга Михайловна
МКОУ «Вихоревская СОШ № 10»
ПЕРВЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ……………………………………………..5
ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА………………………………………………. 6
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………………………. …11
Тема исследования «Природное электричество»
Проблема (идея) проекта.
Не все мои одноклассники знают о существовании природного электричества. Идея проекта была узнать, что такое природное электричество, раскрыть возможности природного электричества, найти альтернативные источники энергии, которые не загрязняют окружающую среду.
Целью работы : выявление различных способов получения электроэнергии и экспериментальное подтверждение некоторых из них.
Гипотеза: если электростанции получают электрический ток, используя природные ресурсы, то возможно ли получение тока с помощью других необычных источников тока, а именно, что различные фрукты и овощи могут служить источниками электричества
• изучить литературу по данной теме
• найти из научных источников историю открытия электричества
• узнать, что такое природное электричество
• изучить правила безопасности связанные с использованием электричества
• провести эксперимент по получению электричества из овощей фруктов в домашних условиях.
• по содержанию: исследовательский
• по комплектности: межпредметный
• по количеству участников: индивидуальный
• по продолжительности: краткосрочный.
Так как в овощах и фруктах много сока, а он представляет собой кислоту (такую же, как в обычных батарейках и аккумуляторах), то воткнув в них металлические пластины можно получить электричество.
Сроки реализации. Исследовательский проект реализуется в период с 15.02.2018 года по 15.03.2019 года.
Ожидаемый результат в рамках исследовательского проекта:
• Я больше узнаю о природном электричестве.
• Познакомлю одноклассников с историй возникновения электричества, раскрою возможности природного электричества,
• Сделаю выводы по данной теме.
• Попробую сам выполнить все эксперименты, соблюдая технику безопасности.
• Изучение научной литературы
• Изучение данной темы позволит больше узнать об окружающем нас мире.
Этапы работы над проектом
- Подготовительный: — выбор темы и её конкретизация (актуальность — определение целей и формулировка задач).
- Поисково-исследовательский: — коррекция сроков и графиков — проведение поисково-исследовательской деятельности.
- Трансляционно — оформительный: — работа над презентацией — оформление проекта — предзащита проекта
- Доработка проекта с учетом замечаний и предложений: — написание сценария защиты проекта — подготовка к публикации проекта.
Заключительный: защита проекта
Практическая значимость данного исследования заключается в использовании данного материала на уроках физики, кружке лего-конструировании.
Поиск достоверных источников информации с помощью книг, использование компьютерных технологий.
В наше время людям требуется всё больше и больше энергии, поскольку они придумывают всё больше и больше новых изобретений, для которых требуется энергия.
Энергетика зародилась много миллионов лет назад, когда люди научились добывать огонь: они охотились с помощью огня, получали свет и тепло, и он служил источником радости и оптимизма на протяжении многих лет.
Взаимоотношения человека и природы очень сложные и напряжённые. Люди ощущают, как меняется климат земли, меньше остаётся чистых, нетронутых лесов, озёр и рек. Тяжело дышится от выхлопных газов на улицах наших городов и посёлков. Мы постоянно слышим об озоновых дырах, о загрязнении мирового океана, о страшных последствиях радиационных катастроф. Природа обречена. Через 3-4 поколения человечеству предстоит жить в мире, в котором природа будет на задворках. Атмосфера загрязнится до недопустимых для человека норм, а это запрограммировано в нашем сегодняшнем образе жизни и мышлении.
Люди встревожены и понимают, что природа не безгранична. Мы поднимаем и бьём тревогу, потому что в отношении с природой человек переступил нравственный рубеж. Экологические проблемы можно решить всем миром, постепенно формируя экологическую культуру, новое экологическое мышление жителей сёл и городов.
Экологические чистые источники энергии — это источники, которые не наносят вред окружающей среде. К ним относятся источники с использованием солнечной энергии, энергии ветра, воды, земли гейзеров. Эта тема важна по многим причинам. Основным энергоносителем XIX века являлся уголь, сжигание которого приводило к росту выбросов дыма, сажи, копоти, золы и вредных газов. Развитие научно-технического прогресса привело к изменению энергетической базы промышленности, сельского хозяйства, городов и других населенных пунктов. Значительно возросла доля таких энергоносителей, как нефть и газ, экологически более чистых, чем уголь. Однако их ресурсы не беспредельны, что накладывает на человечество обязанность поиска новых альтернативных источников энергии.
На сегодняшний момент альтернативные источники энергии могут обеспечить дом теплом, электроэнергией, газом, теплой водой. Причем использование альтернативной энергии не требует каких-то сверх навыков или сверх знаний. Все можно сделать для своего дома своими руками. Человеческая изобретательность не знает границ. Ученые предлагают необычные источники энергии, которые помогут в будущем решить и энергетические и экологические проблемы Земли.
Традиционные виды альтернативной энергии — это энергия Солнца и ветра, энергия морских волн, приливов и отливов. Есть проекты преобразования в электроэнергию газа, выделяющегося на мусорных свалках, а также из навоза на звероводческих фермах. Основным видом “бесплатной” неиссякаемой энергии по справедливости считается Солнце. В Солнце сосредоточено 99, 886% всей массы солнечной системы. Солнце ежесекундно излучает энергию в тысячи миллиардов раз большую, чем при ядерном взрыве 1 кг U235 .
1. ПЕРВЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ
Открытие электричества можно отнести к периоду: конец 19 — начало 20 века. Но наблюдали первые электрические явления люди ещё в пятом веке до нашей эры. Они замечали, что потёртый мехом или шерстью кусок янтаря притягивает к себе лёгкие тела, например, пылинки. Древние греки даже научились использовать это явление – для удаления пыли с дорогих одежд. Ещё они заметили, что если сухие волосы расчесать янтарным гребнем, они встают, отталкиваясь друг от друга, при этом в воздухе возникают искры и треск.
Электричество – вид энергии, которая переносится крошечными частицами – электронами. Энергия — это сила, способная выполнять какую-нибудь работу. Электричество легко превращается в другие формы, например, в свет или тепло. Его можно без труда передавать по проводам. Электричество приносит нам тепло и свет, на нем работают разнообразные машины, в том числе компьютеры и планшеты.
Получают электричество на специальных станциях. Оно может возникать из солнечной энергии, падающей воды, специальных устройств — генераторов, либо получаться при возникновении какой-либо химической реакции.
3. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА.
Источник тока – это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.
Существуют различные виды источников тока:
Уголь – это окаменевшие остатки растительности, которая покрывала нашу планету десятки миллионов лет назад. Нефть образовалась из остатков древнейших морских организмов. Нефть и уголь сжигают, чтобы получить энергию, которая приводит в движение разную технику.
Энергию ветра используют уже тысячи лет. Ветер гнал по волнам парусные корабли. Ветряные мельницы мололи зерно и перекачивали воду. Сейчас ветряные станции вырабатывают электричество в отличие от тепловых электростанций, где сжигаются нефть и уголь, ветряные станции не загрязняют воздух.
Ветер приводит в движение лопасти, которые вращают турбогенератор, вырабатывающие электричество. Затем электроэнергия по кабелю передается потребителям.
В старину на многих реках стояли водяные мельницы. Вода вращала колесо и молола зерно. Сегодня на реках строят большие гидроэлектростанции с мощными турбогенераторами. Реки перекрывают плотинами, чтобы создать запас воды для электростанций.
Потоки воды устремляются через специальные стоки в плотине и вращают лопасти турбогенераторов. Электроэнергия передается по силовым кабелям.
Благодаря солнцу, мы получаем огромное количество энергии. Она используется для получения электричества и для обогрева. Солнце – неиссякаемый источник энергии: когда в недрах нашей планеты не останется ни нефти, ни угля, солнце по-прежнему будет сиять над землей.
Солнечные батареи преобразуют энергию солнца в электричество. А солнечные водонагреватели обеспечивают дом горячей водой.
При гниении бытовых отходов выделяется газ, который называется «метан». Этот газ загрязняет воздух, однако его можно собирать, а затем сжигать на тепловых электростанциях также, как уголь и нефть. Такие электростанции называются «биореакторы».
Человек производит так много мусора, что рядом с некоторыми большими городами не хватает места для мусорных свалок. В биореакторах мусор разлагается гораздо быстрее – значит, понадобится меньше свалок.
Электричество в природе.
Какое-то время считалось, что электричество в природе не существует. Однако после того как Б. Франклин установил, что молнии имеют электрическую природу возникновения, это мнение перестало существовать.
Значение электричества в природе, как и в жизни человека огромно.
Например: природное явление.
Вспышка молнии – огромная искра мгновенный разряд электричества, скопившегося в грозовых тучах. Капли воды в грозовой туче сталкиваются и электролизуются в положительные заряды скапливаются в верхней части тучи, отрицательные – в нижней. Между тучей и землёй, заряжённой положительно, создаётся электрическое поле. Его напряжение возрастает и разряжается молнией.
Электрические скаты используют электричество, а точнее электрические разряды для защиты от врагов, поиска пищи под водой и её добывания. Рыба имеет специальный электрический орган. Он накапливает достаточно большой электрический заряд, а затем разряжает его на жертву, прикоснувшись к такой рыбе. Сила тока электрического органа рыб меняется с возрастом: чем старше рыба, тем сила тока больше.
Пчёлы – во время полёта накапливают положительный заряд электричества, а у цветов он отрицательный. Поэтому пыльца с цветов сама перелетает на тело пчёл.
Мне стало интересно, может ли возникнуть природное электричество в растениях. Я стал собирать информацию на эту тему: посещал школьную библиотеку, читал научные статьи по данной теме.
Вот что я узнал:
• Чем больше сока в овоще или фрукте, тем больше электричества из них можно получить.
• Для получения электричества, лучше всего использовать медь и цинк.
Для проведения опыта понадобится: 2 лимона, провода, медные электроды 2 шт., цинковые электроды 2 шт., светодиод.
Описание опыта. Сначала я разложил всё, что нам понадобится:
цинковые и медные электроды, провода, лимоны, картошка, инструменты, лампочка.
Далее я соединил цинковые и медные электроды проводами.
После этого, я воткнул медные и цинковые электроды в лимоны, и лампочка загорелась. Из проделанного опыта мы видим, что лимон работает, как батарейка: медный электрод — положительный (+), а цинковый электрод – отрицательный (-). К сожалению это очень слабый источник энергии.
Гипотеза : если увеличить количество лимонов, увеличится источник энергии.
Для проведения опыта понадобится: 2 картофеля, провода, медные электроды 2 шт., цинковые электроды 2 шт., светодиод.
Я соединил цинковые и медные электроды проводами. Вставил медные и цинковые электроды в картофель, и лампочка загорелась.
Вывод: в картофеле содержится кислота, благодаря которой появляется природное электричество. Соединив цинковые электроды, с кислотой выделяемой картофелем лампочка загорается.
Я решил проверить, получу ли я электричество из воды. Я взял 2 пластиковых стаканчика, налил в них воду и опустил провод с медной пластиной в один стаканчик, а другой провод с цинковой пластиной в другой стаканчик. Лампочка не загорелась. Я опять соединил 2 стаканчика проводом , добавил соли, лампочка загорелась.
А что будет, если добавить в воду уксус, подумал я. Налил по чайной ложке в каждый стаканчик. И увидел, что лампочка стала гореть ярче.
Вывод: проведя опыты я убедился, что получаемого электричества от лимона, картофеля, воды и воды с уксусом достаточно для питания небольшой лампочки.
Я занимаюсь в кружке лего-конструирования. Мы постоянно собираем различные модели.
У нас есть конструктор «Возобновляемые источники энергии.» И свою работу я продолжил, собирая модели «солнечные батареи». Ветряной двигатель. Гидротурбина. Энергия солнца применяем в солнечных батареях, энергия ветра в ветродвигателе, сила воды в гидротурбинах.
В 8-м классе я буду изучать постоянный ток. Измерения я буду проводить такими приборами как вольтметр и амперметр. И свою работу я продолжу, работая с другими источниками питания.
Напряжение на электродах, В
Самые необычные альтернативные источники электроэнергии
С каждым годом нам нужно больше электроэнергии. Ученым приходится изобретать нетрадиционные способы ее получения — недорогие и безопасные для атмосферы. Рассказываем о необычных разработках в области электроэнергетики
Энергия из морских волн
В апреле 2021 года британская компания Mocean Energy представила Blue X — прототип установки, которая будет преобразовывать кинетическую энергию морских волн в электричество.
Установка Blue X (Фото: Mocean Energy)
Принцип работы такой: установку помещают на поверхность воды, она качается на волнах и приводит в движение шарнир посередине. Тот в свою очередь запускает генератор, который вырабатывает электроэнергию и по кабелям перенаправляет ее на сушу. Как это применять: по оценкам Mocean Energy, если использовать хотя бы 1% всей доступной энергии волн в мире, можно обеспечить электричеством 50 млн зданий. Для сравнения: в России насчитывается около 14 млн жилых домов.
Энергия из ДНК
Оказалось, что органические молекулы тоже преобразуют солнечную энергию в электричество. В 2021 году немецкие ученые сумели синтезировать супрамолекулярную — то есть более сложную, чем обычная молекула — систему на основе ДНК.
Структура супрамолекулы (Фото: frontiersin.org)
Основа системы — фуллерен, «футбольный мяч» из 60 атомов углерода. К нему крепится краситель, который поглощает солнечный свет и отдает получившуюся энергию фуллерену. Но возникает проблема: если не упорядочить такие супрамолекулы, ток между ними будет протекать с трудом, а со временем и вовсе затухнет. Ученые предложили такое решение: закрепили супрамолекулы на основе фуллеренов и красителя на спирали ДНК. Так движения электронов становятся упорядоченными, а электрический ток не затухает. Как это применять: исследователи не обещают, что в скором времени на всех крышах появятся солнечные батареи из ДНК, но развивать это направление планируют. По их прогнозам, технология будет дешевле, прочнее и долговечнее, чем солнечные батареи на основе кремния.
Респираторы с солнечными батареями
Берлинский изобретатель Хайнц Кнупске превратил респиратор в устройство, генерирующее электроэнергию. По сути, это привычная для нас маска, на поверхности которой закреплена маленькая солнечная батарея.
Схематично респиратор с солнечной батареей выглядит так (Фото: photovoltaik.eu)
Как это применять: батарея вырабатывает энергию, которой хватает для подзарядки телефона или часов. В начале 2021 года в Китае уже наладили серийное производство «солнечных» масок и отправили первую партию в Европу.
Солнечные паруса
В 2019 году Планетарное общество развернуло парус LightSail 2 на одной из ракет от SpaceX, и он успешно прошел испытания.
LightSail 2 во время развертывания (Фото: The Planetary Society)
Солнечный парус — почти то же самое, что и обычный парус на кораблях. Только в движение его приводит не ветер, а солнечная энергия — поток заряженных частиц, которые выделяет Солнце. Если поймать этот поток энергии, можно долгое время путешествовать в космосе по заданному маршруту, а топливо для этого не понадобится. Как это применять: используя наработки Планетарного общества, в 2021 году NASA с помощью паруса планирует долететь до Луны, а затем отправиться к околоземному астероиду 1991 VG.
«Бесконечная» энергия из воздуха
В 2020 году ученые из Массачусетского университета создали Air-gen — генератор, который создает электричество с помощью натурального белка и влаги из воздуха.
Графическое изображение пленки из белковых нанопроводов, вырабатывающих электричество с помощью влаги из атмосферы (Фото: UMass Amherst / Yao and Lovley labs)
С помощью протеобактерий Geobacter ученые выращивают белок, который может проводить ток. Из него делают пленку толщиной менее 10 микрон — в несколько раз тоньше, чем человеческий волос — и помещают между двумя электродами. Белок забирает влагу из воздуха и за счет тонких пор создает ток между электродами. Лучшие результаты Air-gen показывает при влажности в 45%, но справляется и в засушливых регионах вроде Сахары. Генератор не зависит от погодных условий и работает даже в помещении. Как это применять: пока мощности Air-gen хватает только для питания мелкой электроники. В скором времени ученые разработают версию для мобильных телефонов и смарт-часов, чтобы те никогда не разряжались. А если у исследователей получится совместить Air-gen с краской для стен, в домах появится бесконечный источник электроэнергии.
Электричество из дерева
Если сжать древесину, а потом вернуть в исходное состояние, она вырабатывает электрическое напряжение — правда, очень низкое. Ученые из Швейцарии провели несколько экспериментов и в 2021 году сумели превратить древесину в мини-генератор. Исследователи изменили химический состав древесины. Они поместили ее в смесь перекиси водорода и уксусной кислоты, растворили один из компонентов древесной коры — лигнин — и оставили только целлюлозу. В результате древесина превратилась в «губку», которая после сжатия самостоятельно возвращается в исходную форму. По словам ученых, такая губка генерирует электрическое напряжение в 85 раз выше, чем обычное дерево.
Так выглядит древесина после растворения лигнина (Фото: САУ Nano / Empa)
Как это применять: пока исследователи проводят испытания получившегося материала. Они уже выяснили, что энергии 30 деревянных брусков длиной 1,5 см хватит для питания ЖК-дисплея.
Жидкое топливо из солнечной энергии
- превратить свет, полученный с помощью солнечных батарей, в энергию;
- с помощью этого электричества разложить воду на водород и кислород;
- соединить водород и оксид углерода и получить метанол.
Чтобы получить нужное количество солнечного света, исследователи используют целые фермы солнечных батарей
Как это применять: в отличие от нефти и угля, это топливо сгорает чисто. Если у Китая получится сделать производство жидкого метанола массовым, углекислого газа в атмосфере станет намного меньше — на долю Китая приходится около 29% мировых выбросов.