Источники энергии - история и современность (стр. 7 из 9)
3.2 Электродвигатель
Электродвигатели имеют в общих чертах то же устройство, что и генераторы, но основаны на обратном принципе действия. Приложенное к обмотке якоря напряжение вызывает ток, который в свою очередь создаёт магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем возбуждения. При этом возникает сила, вращающая ротор.
Вращающий момент М равен: M=NIBSsinwt, где N - число витков обмотки якоря, I- ток, текущий в якоре, B- магнитная индукция, S- площадь витка, w- угловая скорость вращения, t- время, отсчитываемое от момента, когда обмотка занимала положение, перпендикулярное направлению магнитного поля.
Электродвигатели бывают переменного и постоянного тока.
К электродвигателям переменного тока относят: синхронные (аналогичны генератору переменного тока, частота переменного напряжения определяет скорость вращения данного электродвигателя, при запуске необходимо сообщать от внешнего источника необходимую скорость вращения, при увеличении нагрузки происходит остановка двигателя) и асинхронные (аналогичны генератору постоянного тока и могут работать как от переменного, так и от постоянного тока, скорость вращения не зависит от частоты переменного тока).
К электродвигателям постоянного тока относят: сериесные (обмотки электромагнита и якоря включены последовательно, число оборотов сильно зависит от нагрузки) и шунтовые (обмотки якоря и электромагнита включены параллельно, число оборотов двигателя почти не зависит от нагрузки).
КПД электродвигателей очень высок, иногда достигает 98%, что не достижимо для других типов двигателей.
Первый электродвигатель был сконструирован русским изобретателем Б.С. Якоби в 1834 году. Он работал от постоянного тока и, хотя и был годен для практического применения, не использовался из-за дороговизны гальванических батарей, с помощью которых он приводился в действие. Поэтому широкого применения он не нашёл.
С изучением свойств переменного тока начали широко распространяться электродвигатели переменного тока, совершившие, как в своё время паровая машина, подлинный промышленный переворот. В современном мире нашли применение и электродвигатели постоянного тока - в качестве движителя трамваев, троллейбусов и др.
3.3 Химические источники тока
Химическую энергию можно преобразовать в электрическую. Так, например, в гальваническом элементе, изображённом на рисунке, электрическая энергия выделяется за счёт химической реакции между электродами и электролитом. В первом гальваническом элементе, созданном итальянским физиком Алессандро Вольта, в качестве электролита использовалась серная кислота, а в качестве положительного и отрицательного электродов - медный и цинковый стержни соответственно.
Отрицательные ионы серной кислоты притягивают к себе положительные ионы цинка и меди. Из-за того, что кинетическая энергия ионов цинка больше, чем кинетическая энергия ионов меди (так как медь менее активный металл, чем цинк), то в раствор переходит больше положительных ионов цинка, чем меди, поэтому цинковый электрод приобретает отрицательный заряд относительно медного электрода.
Между цинковым и медным электродами возникает ЭДС, равная разности нормальных потенциалов (значения этих потенциалов определяются положением металла в электрохимическом ряду напряжений металлов): Е = fCu- fZn= 0,34- ( - 0,76) = 1,1 Вольт.
При использовании различных металлов возникает разная ЭДС. Максимальным (по модулю) нормальным потенциалом обладает литий (-3,0 Вольт), а за ним - калий (-2,9 Вольт), поэтому литиевые и калиевые гальванические элементы ("батарейки") получили в настоящее время наибольшее распространение.
3.4 Аккумулятор
В аккумуляторах накопление электрической энергии происходит за счёт её превращения в химическую. В отличие от гальванических элементов, которые сразу готовы к работе, аккумулятор нужно зарядить. Поэтому их (аккумуляторы) называют иногда вторичными элементами.
Аккумуляторы широкого применения подразделяются на кислотные и щелочные; к кислотным относится свинцовый аккумулятор, к щелочным - железоникелевый.
В свинцовом аккумуляторе происходит следующий процесс:
2PbSO4 + 2H2O = PbO2 + Pb + 2H2SO4
(при зарядке процесс течёт слева направо, при разрядке - справа налево, при зарядке оксид свинца выделяется на аноде, чистый свинец - на катоде). ЭДС свинцового аккумулятора равна 2 В.
В железоникелевом аккумуляторе происходит следующая реакция:
2Ni (OH) 2 + Fe (OH) 2 = 2Ni (OH) 3 + Fe
(при зарядке процесс течёт слева направо, при разрядке - справа налево). ЭДС железоникелевого аккумулятора равна 1,2 В.
4. ХХ век
4.1 Атомная энергия
В современной атомной энергетике используются две изображённые выше реакции: первая, вверху - это реакция деления U- 235, которая сопровождается выделением большого количества энергии. Вторая - реакция размножения ядерного топлива, происходящая в реакторах на быстрых нейтронах (размножительных реакторах) - получение из U- 238 (изотоп урана, делящийся только быстрыми нейтронами) Pu- 239 - искусственного элемента, делящегося при тех же условиях и так же, как и U- 235.
На рисунке представлен возможный ход реакции деления урана 235, а также баланс выделяющейся энергии. Главная особенность этих реакций - увеличение числа нейтронов, и, следовательно, числа поделённых ядер, в геометрической прогрессии - цепная реакция. Энергия, выделившаяся в ходе этой реакции за одно деление, пропорциональна разности энергии связи образовавшихся частиц и энергии связи U-235, т.е. E = (mч1 + mч2 - mU235) c2, где с2 - скорость света в квадрате.
4.2 Атомный реактор
Первый реактор - реактор Ферми.
Первый реактор был построен в 1942 году под руководством Энрико Ферми. Реактор имел только научное значение; он предназначался для демонстрации возможности управляемой ядерной реакции. Дату пуска этого реактора можно считать началом новой эры - эры атомной энергии.
Реактор имел значительные размеры даже по сравнению с современными реакторами.
Аварийная защита реактора была оригинальна: на площадке над реактором стояло двое помощников Ферми, державшие в руках вёдра с раствором солей бора - поглотителя нейтронов. В случае даже незначительной опасности помощники были готовы вылить содержимое вёдер реактор.
Коэффициент размножения (отношение числа нейтронов существующего поколения к числу нейтронов предыдущего поколения) равнялся 1,002.
Графитовый реактор.
Устройство современного графитового реактора представлено на рисунке.
Основой реактора является алюминиевая рама с большим количеством трубок, в которые вставляются ТВЭЛы - тепловыделяющие элементы, представляющие собой трубку из циркониевого сплава, в которой заключены таблетки из обогащённого урана 235 (или диоксида урана 235). Рама обложена кирпичами из графита высшей химической чистоты, играющими роль отражателя. Между трубок с ТВЭЛами также находится графит. В нём проделаны каналы, по которым пропускается теплоноситель - вода или жидкий натрий. Смена ТВЭЛов происходит посредством выталкивания старого новым ТВЭЛом.
Аварийная защита и управление реакцией осуществляется посредством нескольких бронзовых пластин (или стержней), покрытых кадмием - поглотителем нейтронов.
Реактор окружён бетонной защитой толщиной до 3 метров.
Реактор на тяжёлой воде.
Устройство реактора на тяжёлой воде представлено на рисунке.
Основа реактора - алюминиевый бак с трубками для ввода (и извлечения) управляющих стержней и ТВЭЛов. Роль замедлителя и теплоносителя играет так называемая тяжёлая вода. В качестве отражателя нейтронов использован графит высшей химической чистоты.
Смена ТВЭЛов осуществляется посредством снятия защитной крышки, выполненной из свинца и чугуна, извлечения отработанных ТВЭЛов и ввода новых с помощью специального подъёмника.
Аварийная защита осуществляется посредством ввода в активную зону аварийных поглощающих стержней, а также спуска тяжёлой воды в специальный бак, расположенный под реактором.
Управление реакцией осуществляется посредством нескольких бронзовых пластин (или стержней), покрытых кадмием - поглотителем нейтронов.
Реактор окружён бетонной защитой толщиной до 3 метров.
Гомогенный реактор.
Гомогенный реактор в профессиональных кругах в шутку (или всерьёз) называют "паровым котлом".