Новые ЭлектроТехнологии

Тема: как проходит эволюция в электричестве, развитие электротехники.

Эта тема является вводной статьёй, которая покажет общий ход электротехнической эволюции. А картина такова: начнем с самого интереса людей к электричеству. С глубокой древности всё человечество обходилось без использования электричества. На протяжении многих тысячелетий и различными народами для обогрева и освещение своих жилищ использовалось пламя огня.

Те природные проявления электричества в виде молний и статики, людьми воспринималось как стихии и необъяснимые явления. Практического применения этому всему не находилось, то есть — есть, и пусть существует себе дальше. Но учёные, философы были во все времена. Они не могли смириться с непонятным, и постоянно стремились изучить, понять, исследовать, покорить и использовать как во благо, так и не совсем. Их можно назвать двигателем эволюции прогресса во всём, будь-то электрика, механика, химия, медицина или что-то другое. После их исследований, появляются изобретения. Остальные люди увидев определённую полезность, быстро находят этому практическое применение. Как общеизвестно, в начале 17-ого столетия были первые серьёзные попытки изучения электричества. Именно с того времени одно открытие начала порождать ряд других. В итоге развитие электротехнической сферы (и не только) похож на лавинообразный процесс.

Так, за каких-то, всего несколько веков, наша цивилизация приобрела совсем иной образ жизни. Поменялось абсолютно всё - мировоззрения, стереотипы, понятия, да и вся жизнь в целом. В человеческой натуре есть такое интересное свойство, а именно, имея, что либо, хотеть при этом большее и получше. С оной стороны это хорошо, поскольку именно поэтому существует прогресс и развитие общества, а с другой стороны, доходит дело и до полнейшего абсурда. В частном случае, это выглядит так — старое не радует, и хочу новое, а с общего взгляда — люди постоянно хотят новое, значит надо сделать и продать, а чем больше продам, тем больше заработаю. При таком раскладе дел, происходит колоссальный перемол полезных ископаемых, который превращается в горы мусора. Идут годы, а мусора становится больше.

В подобной гонке за новшествами, опираются на определённые критерии. Новое, значит лучше, чем было. А, от сюда, перечислим основные из них. И это:

1. Создание чего-то новенького, чего не было до этого — этим можно заинтересовать любого человека, как ребёнка новой и красивой игрушкой;

2. Усовершенствование старого — переделка дизайна на более современный и модный, добавление новых функций и расширений, уменьшение размеров и веса, повышение удобности и компактности;

3. Улучшение характеристик — повышение скорости, быстродействия, надёжности, объёмов памяти, экономности, экологичности и т.д.

Всё это, конечно, важно и даже необходимо для обновлений, но в разумных пределах. Прежде всего, не следует забывать о первоначальном назначении той или иной вещи. Ведь, если устройство выполняет все необходимые свои функции, что от него требуется, и не столько в нём много недостатков, то наверно и не стоит его менять. Хотя многие, пожалуй, так не думают.

Другое дело, когда разница между новым и старым настолько значительна, что просто необходимо производить замену и совершить переход на новыефункциональные параметры и общие возможности, тем самым делая более рациональное обновление для улучшения желаемого конечного результата.

Вспомним такой принцип, как простота и оптимальность. Его можно разъяснить так: больше не значит лучше, новей не значит надёжней, дешевле или дороже не значит экономнее, то есть, допустим, Вам необходимо осуществить выполнение какой-то задачи, для его реализации более разумнее приобрести то устройство или вещь, что обладает именно нужными функциями и возможностями, а не вещь, с множеством дополнений.

Ведь дополнительные элементы только усложняют общую структуру и тем самым повышают изначальную стоимость, понижают надёжность (предполагаемая вероятность на отказ), усложняют обслуживание и так далее. Новизна нужна, но подходить к ней надо рационально. На этом и завершу тем, развитие электротехники— общий ход процесса эволюции электрической техники.

Тема: возможно ли поймать и использовать электрический разряд молнии.

У Alternative Energy Holdings, это американская компания, в ближайших планами развития имеет такие идеи — начать производить электрическую энергию путём ловли молний, которые будут собираться, преобразовываться и передаваться в городские сети, а цена этому $0,005 за кВт/ч. Как именно они думают собирать электроэнергию природных грозовых разрядов — не поясняется. Можно догадываться, что говориться о специальных молниеотводах, которые оснащены огромным набором ионисторов (суперконденсаторов) и силовых высоковольтных преобразователей напряжения. Компания планирует испытать свою систему ловли молний в течение одного грозового сезона, в одном из мест, где электрические молнии возникают наиболее часто. При этом специалисты компании считают, что эта электрическая станция себя полностью окупит за 4-7 лет.

Думаю, многим людям, с техническими интересами, приходила в голову идея о ловле электрических разрядов молнии. Ведь мысль заманчива по своей сути. Вот она, халявная энергия, которая сама накапливается и имеет колоссальный объём. Остаётся придумать простой способ ловли и последующей переработки этого электричества, и дело сделано. Самый, что не наесть, альтернативный, экологически чистый способ получения электроэнергии. Так то оно так, да проблем тут масса. Электрические молнии, к сожалению, весьма ненадёжный электрический поставщик. Заранее точно предугадать, где именно произойдёт грозовой разряд, едва ли возможно. Ну, а просто сидеть и ждать молнию на одном месте — может быть долгим занятием. Помимо этого, молния — это высоковольтное напряжения порядка 100 миллионов вольт и максимальным значением тока до 200 кА (обычно — 5-20 кА). Слишком большие величины!

Питание от электрических разрядов молний подразумевает их накопление. Его необходимо сделать за те тысячные доли секунды, во время которого и проходит основная фаза этого разряда. Заметьте, что удар молнии, происходящим практически мгновенно, в действительности состоит из нескольких фаз. Каждая такая фаза имеет свои определённые характеристики и состояния. Именно в процессе захвата и накопления заключается большая сложность, ибо возникает необходимость принять за очень короткий промежуток времен довольно большое значение тока и напряжения. Последующая отдача этой электроэнергии в городскую сеть уже менее проблематичная, с этой задачей вполне справится система преобразователей.

Следует учитывать, что во время прохождения электрического разряда молнии протекает весьма сложный физический процесс. Сначала из заряженного потенциалом облака к земле идёт лидер-разряд, созданный лавинами масс из электронов, которые сливаются в электрические разряды, именуемые стримерами. Этот лидер-разряд порождает ионизированный горячий канал, уже по которому в ином направлении проносится основной разряд молнии, что вырван с земной поверхности интенсивным электрическим полем. Все эти этапы могут по несколько раз повториться за те мгновения, что продолжается молния. Теперь вдумайтесь, насколько это нелёгкая задача — уловить электрический разряд и перенаправить природный ток в желаемое место.

К вышесказанному стоит добавить, что и те молнии, пробегающие между землёй и облаками, разделяются на 2 отражённых вида: одни порождаются отрицательными электрическими разрядами молний, которые накапливаются в нижней части грозового облака, ну, а иные — положительными, накапливаемые в его верхней части. Второй вид встречается от 4 до 17 раз реже, чем электрические молниевые разряды первого вида (отрицательные). Но и эту разницу следует учитывать при создании уловителей природного электричества.

Как видно, ловля электрических разрядов молний дело проблематичное. Возникает вопрос, а стоит ли вообще заниматься этим делом? Если установить подобную электростанцию на территории, где разряды молнии бьют чаще обычного, смысл, наверное, есть, всё же. По определённым данным и ранее проверенной информации, при одном большом грозовом шторме, во время когда электрические молнии возникают непрерывно одна за другой, выделяется электроэнергия (её количество), которое хватит для обеспечения энергией всех США на 20 минут.

Естественно, какую бы молниевую электростанцию люди ни придумали, её коэффициент полезного действия при преобразовании тока будет не 100%, и уловить, по видимому, получиться совсем не все разряды молнии, которые ударят в окрестностях. Да ещё стоит учитывать фактор высокого напряжения, который при халатном отношении может нанести больше вреда людям, чем пользы. В общем, будем надеяться на умные головы компании Alternative Energy Holdings, разработчики которой взялись за это нелёгкое дело.

Тема: будущее источников электрического питания, легенда о вечной батарейке.

Кто не хотел бы купить такие батарейки, которые ни когда не разряжались, поставил такую батарею в кварцевые часики и все на 20-ть лет забыл про неё. Прекрасная мечта, но как показывает практика, мечты сбываются, человек когда-то также не умел летать, полет был мечтой. О лирике хватит, займемся физикой.

Вы наверно слышали о могильниках ядерного топлива, то есть топлива отработанного в атомных электростанциях. Жуть просто экологическая катастрофа, отработанное топливо лежит в бетонном колодце, и мы все ждем, пока радио-фон загрязнения снизится до окружающего природного фона. А теперь взглянем практически, что такое этот злой радиоактивный фон. Это поток частиц гамма, альфа, излучений, жестких рентгеновских излучений. Что такое альфа частицы, да это просто говоря ободранные без электрооболочки с нехваткой несколько протонов и нейтронов частицы гелия. Альфа частицы ещё легче, чем бета. Ренгенизлучения радиоволны в очень коротком диапазоне.

Как вы поняли, все это вылетает из отработанного топлива, неся с собой не малую энергию. Попробуем хоть пока и теоретически, но обуздать это явление в пользу человечества. Представим себе, что мы создали искусственное облако электронов. Как его создать об этом чуть позже. Влетает вот такая частица в это облако и что, кинетическая энергия её по закону импульса передается более легким электронам.

Проще говоря, за счет энергии принесенной частицей, электроны разлетаются в основном в направлении бывшего движения частицы (закон сохранения импульса), часть из них рекомбинирует, то есть становится временно электрооболочкой частицы. Мы наблюдем движение электронов в определенном направлении, а как мы знаем, направленное движение зарядов это есть электрический ток. Интересно, не правда ли. Но это цветочки ягодки ещё впереди. А теперь про электронное облака кремния и арсенид галлия. На основе арсенида галлия (соединения галлия и мышьяка), создаем избыточный слой электронов в материале. Любое излучение легко выбьет из этого материала электроны, останется их только собрать.

Ну а теперь прототип самой установки (ядерной батареи). Отдельно находится радиоактивный материал, на определенном расстоянии по кругу от радиоактивного материала находится дисперсная сетка, из константа или вольфрама, на этой сетке с противоположной стороны от источника радиоизлучения нанесен слой арсенида галлия p-слой (с избыточным количеством электронов), сразу же за этим слоем будет находится n -слой (с недостатком электронов) пусть будет арсенид алюминия. То есть вот такая хитрая сеточка.

Ну, а теперь о самом процессе. Радиоактивный материал не только испускает излучение он ещё и очень горяч, это тепло нагреет вольфрамовую сетку и арсенид галлия, после чего будет испускать электроны, но это не все, попадая в сетку, рентгеновские излучения, частицы будут выбивать избыточные электроны с p - слоя в n - слой. А так же сбивать электроны с электронного облака в n - слой. То есть потечет ток, который можно связать с помощью проводов и питать потребителя.

Теперь рассмотрим некоторые недостатки и достоинства этого пока мнимого устройства. Период времени интенсивного распада отработанного урана или другого материала не буду врать, но не более 50-ти лет, далее излучение снижается, но до 300-сот лет оно точно не достигнет нормального фона. То есть батарея работает 50 лет как минимум, но источник будет давать электроэнергию и после этого периода времени. Проведем сравнение с солнечными батареями, там интенсивность излучения во много раз меньше, а использовать их выгодно даже на земле. Принцип устройства ядерной батареи почти аналогичен солнечным батареям. Так уж лучше извлекать электроэнергию с таких могильников, чем ещё и себе в убыток обслуживать их. Думаю, если используют солнечные батареи, то выгодно будет использовать и ядерные. А стоимость у них будет почти одинакова.

Тема: электромышцы, как современная замена работы электродвигателя.

В этой теме хотелось бы рассказать о такой новой и инновационной разработке учёных, как искусственная электрическая мышца. Те, кто знакомы с электрикой и основами электричества, хорошо знают основные способы преобразование электрической энергии в механические движения.

Это, в первую очередь, электрические двигатели различных типов, принципов действия, рода электропитания и т.д. У них, за счёт прохождения электрического тока по внутренним обмоткам, образуется электромагнитные поля, отталкивающиеся друг от друга и тем самым приводящие во вращение подвижные части. Такие движения имеют вращательныйхарактер, что довольно часто требует дополнительные механизмы для превращения в поступательные. При этом теряется некоторая часть энергии, увеличивая энергозатраты. Да и сами электродвигатели в силу своей конструкции и принципа действия не идеальны по коэффициэнту полезного действия (КПД).

Есть и другой способ совершать поступательные движения по средствам всё того же магнитного поля. Это втягивание или отталкивания сердечника в электромагните. Недостатками является также не идеальный КПД и проблематичность очень точного контроля выполняемого действия.

Теперь давайте посмотрим, чем может быть заменена работа электродвигателя и электромагнита в наше время. Это некий аналог человеческой мышцы, которая работает по тому же принципу. Как Вы должны знаете из уроков по биологии, при поступлении импульса от нервной системы человека к его мышцам, происходит сокращение белковых волокон. Это приводит к простому сокращению мышц (уменьшению длинны) и совершения физической работы.

Этот принцип очень прост. Но по причине того, что учёные долгое время не могли создать такой искусственный материал, который бы повторял работу человеческой мышцы, данная идея стояла на месте и не имела своего дальнейшего развития. В 2007 г. учёным из Университета Северной Каролины, заявили о том, что у них получилось создать подобный электропроводящий полимер, на основе углеродных нанотрубок. Это и было началом для последующих исследований.

Подобные исследования проводились в США и Китае. Было разработано множество вариантов искусственных мышц, реагирующие на электричество. Но было и множество ограничений с недостатками, таких как слабая ответная реакция, работа в жидкости, неустойчивость эффекта. Этой работой заинтересовались и наши отечественные специалисты из Московского научного-технического центра. Они на основе уже разработанных образцов различных полимеров другими компаниями, решили сделать синтез и улучшить общие показатели и характеристики полимеров.

Экспериментальный образец элекnромышци по виду больше напоминает фотоплёнку, чем органическую ткань. В изначальном состоянии мышца находится в вытянутом положении, как обычный листок пластины, а при подачи на него небольшого напряжения, происходит сжатие. Затраты на электроэнергию минимальные, поскольку основной расход идёт не на работу, а всего лишь на изменения свойств (структуры) данного вещества. В основе этого новшества с такими свойствами, лежит определённая комбинация из проводящих и не проводящих полимеров.

Последняя из подобных разработок весьма удивительна тем, что способна работать при довольно суровых природных условиях, выдерживая температуру от жидкого азота (-196 град.) и расплавленного хрома (приблизительно +1600 град.). Ещё, имеет способность сокращаться на 40000% за секунду. Для сравнения: обычная человеческая мышца, за то же время, сократиться лишь на 10%. Можно добавить к достоинствам то, что работой можно легко управлять и устанавливать очень точные значения её сокращения.

Ну, а что касается размера, так с этим тоже проблем не будет, поскольку данную систему можно сделать как очень маленькой, так и довольно больших размеров. Вариантов использования этого изобретения очень много, а впрочем Вы и сами можете придумать множество применений. Так что, будем ждать от наших учёных готовых вариантов этой электромышцы и надеяться на большой успех этой разработки в будущем. На этом и завершу тему, работа электродвигателя заменяется электромышцами.

Тема: Nevada Lightning Lab и их беспроводная передача электроэнергии.

Итак, беспроводная передача электроэнергии, как идея, не нова. Изучением этого, в своё время занимался гениальный учёный Никола Тесла (1856-1943). Он разрабатывал способы, которые бы позволили человечеству избавиться от проводов и кабелей, или, по крайней мере, оттеснили их на второе место. Основным принципом такой передачи было создание очень большого электромагнитного поля, за счёт напряжения в миллионы вольт и частот в сотни килогерц.

Никола Тесла сконструировал специальную башню в которую установил высоковольтный трансформатор (трансформатор Тесла). На вершине этой башни находилась сферическая часть. Именно на неё подавалось высокое напряжение от трансформатора. Основной задачей такой энергосистемы было искуственное возбуждение определённых слоёв ионосферы. В результате, как предполагал Тесла, возможна не только беспроводная передача электроэнергии на большие растояния, но и даже получение бесплатного электричества. Также, появлялась возможность управления многими явлениями и процессами в природе. К сожалению, часть его грандиозных открытий ушло вместе с ним, а те, которые остались, давно вошли в общественный обиход, и используется людьми во всём мире.

Идея беспроводной передачи электроэнергии не остаётся безнадежной. Одно время, компания MIT и Intel в свих лабораториях проводили ряд экспериментов, в результате которых получалось передать электрический ток с мощностью в 60 Вт на небольшое расстояние (примерно около 2 метров), но и это уже можно считать успехом. Немного позже, нечто подобное получилось повторить другой компании под названием Nevada Lightning Lab, но с лучшими результатами.

Компания Nevada Lightning Lab, которая была основана в 1996 году, изначально специализировалась на проектировании и создании различных защитных устройств от разрядов молнии для авиационной техники, да и не только. При очередном испытании, неожиданно был обнаружен некий эффект, при котором испытуемая электрическая установка для имитации разрядов молнии, оказало влияние на неподалёку стоящее оборудование, тем самым сгенерировав в нём электричество.

Далее, после проведения компанией ряда экспериментов, удалось получить такой результат: передача электроэнергии мощностью в 800 Вт, на расстояние 5 метров, а в некоторых случаях, получалось увеличить расстояние до 15 метров. Также, было замечено, что при увеличении транспортируемых мощностей, потери при передачи значительно понижаются. Повышая КПД.

Хоть, это и является относительно малыми расстояниями и невысоким коэффициентом полезного действия, всего в 9-14%, но сам факт даёт большие надежды. Все изобретения и устройства начинали с малых показателей. У любого нового открытия существует естественный путь развития и эволюции, идя по которому, любая вещь на каждом шаге улучшается. В результате прохождения такого пути, она становится совершенней за счёт уменьшения габаритов, улучшения внутренних характеристик, повышение экономности, эффективности и т.д.

Для примера использования беспроводной передачи электроэнергии в повседневном быту можно привести пример некоторых разработок компании WiTriCiti (Wireless Electricity). Они обещают в ближайшем будущем выпустить устройства, основанные на принципе резонансной электромагнитной индукции. Это будут передатчики и приёмники сетевой электроэнергии.

Вы включаете в домашнюю розетку небольшой передающий блок питания, а в приёмный блок само устройство, будь то ноутбук, светильник, фен, электробритва и т.д. В общем, то, на что возникает потребность в перемещении по квартире. Тем самым освобождаясь в необходимости соединения по средствам проводов. В лабораторных тестовых исследованиях получалось производить передачу электрической энергии на расстояниях в несколько метров (около 3-5) с довольно высоким КПД в 70%, что является неплохим результатом.

Так что будем ждать от этих производителей подобных электроэнергетических устройств, которые избавят нас от обрывов, ограниченной длины, неудобства и прочих моментов, свойственные всем проводам, шнурам, кабелям. На этом завершу тему, беспроводная передача электроэнергии от Nevada Lightning Lab.