fbpx
Блискавично
короткі та прості відповіді на поширені запитання про енергетику та все, що з нею пов'язане
__/01/2021

✑ ТЕКСТ:
Тетяна Капустинська
Юрій марченко
Олена тищук

Просто зараз ви читаєте цей текст завдяки роботі різних пристроїв, які виробляють та споживають електроенергію. Енергетика — майже нове IT та неоране поле можливостей для молоді. Ну, а ще це купа цікавого. Чому батарейка кисла на смак? А як так вийшло, що струм невидимий? А що буде, коли нафта закінчиться? Разом із проєктом «Молода енергія», що реалізується Молодіжною організацією «СТАН» за підтримки USAID Проєкту енергетичної безпеки (ПЕБ), Platfor. ma знайшла відповіді на поширені «енергетичні» запитання.
ЗМІСТ
1
Звідки береться струм?
Електрика — це невидимі частинки, які рухаються та можуть накопичуватися на різних поверхнях. Вони не проходять крізь більшість матеріалів (дерево, скло, гума тощо), але їх дуже добре проводить метал. Рух частинок має декілька проявів: статична електроенергія та струм.

В першому випадку згадані частинки нікуди не течуть, а виконують функцію «збалансування». На поверхні одного предмета частинок багато (він заряджений), а на іншому — мало. Якщо їх піднести близько одне до одного, виникне тяжіння — частинки потечуть туди, де вільно, щоб заряд вирівнявся.
У другому випадку частинки течуть по дротах — це електричний струм. Він виробляє енергію, яка за допомогою магнітного поля може змушувати рухатися, наприклад, двигун. Крім того, електричний струм може нагрівати, змушувати світитися, а також живити електронні пристрої.
2
Хто відкрив електрику?
Не можна виділити одну людину, яка відкрила електрику. На створення та розуміння цього поняття вплинуло багато видатних вчених.

Грецький математик Фалес в 600 році до нашої ери виявив, що тертя хутра та янтарю призводить до тяжіння між ними. Англійський фізик Вільям Гільберт у 1600 році написав книгу «De Magnete», в якій пояснив, як статична електрика генерується тертям бурштину, але не усвідомлював, що електричний заряд універсальний для всіх матеріалів. Отто фон Геріке в 1663 році винайшов примітивну форму приладу для добування статичної електрики, а Стівен Грей у 1729 році відкрив явище «електростатичної індукції» — перерозподіл зарядів між зарядженим і нейтральним тілами.

Французький хімік Шарль Франсуа Дюфе на початку XVII століття зробив більш значний прорив — відкрив позитивний і негативний заряди (хоч і назвав їх по-іншому). Крім того, він встановив, що об'єкти з однаковим зарядом відштовхуються, а з протилежним — притягуються.

Бенджамін Франклін в середині XVIII століття щосили намагався зрозуміти електрику. В результаті він побудував електричну батарею, відкрив принцип збереження заряду й довів зв'язок між блискавкою та електрикою.
⬑ Бенджамен Вест «Бенджамін Франклін ловить блискавку молнию», 1816 рік
Італійський фізик Алессандро Вольт виявив, як можна виробляти постійний електричний струм, побудував батарею для виробництва безперервного потоку електричного заряду та навчився (а також навчив усіх) розрізняти електричний потенціал (V) і заряд (Q).

Далі данський фізик Ханс Крістіан Ерстед виявив прямий зв'язок між електрикою і магнетизмом, що надихнуло французького фізика Андре-Марі Ампера на розробку фізико-математичної теорії. Він сформулював математичну формулу взаємодії магнітних сил між об'єктами, що несуть струм. А у 1820-х роках Ампер винайшов електромагніт і електричний телеграф.

Майкл Фарадей винайшов пристрої, які лягли в основу технології електродвигунів, а у 1831 році розробив динамо-машину, яка могла безперервно перетворювати механічну енергію в електричну. І саме він допетрав, що існує тільки один вид електрики, а от вже зміна струму та напруги призводить до створення різних явищ.
⬑ Нікола Тесла у своїй лабораторіїї читає техніку безпеки, 1899 рік
Шотландський вчений Джеймс Клерк Максвелл у 1873 році припустив, що електричні та магнітні поля рухаються як хвилі зі швидкістю світла. Генріх Рудольф Герц доформував цю теорію, а Гульєльмо Марконі використовував ці хвилі для розробки радіо.

І от у 1879 році Томас Едісон винайшов лампочку, у 1882 році побудував першу електростанцію в Лондоні, а через кілька місяців — ще одну в Нью-Йорку.

Нікола Тесла почав працювати на Едісона, пішов з компанії через півроку, винайшов новий тип двигуна змінного струму і технологію передачі електроенергії, а потім побудував першу гідроелектростанцію на Ніагарському водоспаді.

Ну, а у 1905 році Альберт Ейнштейн відкрив «закон фотоелектричних ефектів» — виліт електронів із речовини під дією світла. Це дало розвиток сонячним батареям, які виробляють напругу і проводять електричний струм, коли на них світить сонячне світло.

Фух. І це тільки ключові імена в історії електрики та енергетики!
3
Чому струм невидимий?
А чому невидимий вітер? У світі є багато речей та явищ, які важко розпізнати неозброєним оком. Струм — це рух електрично заряджених частинок, які ми не здатні побачити. Але іноді, якщо заряд сильний, частинки здатні навіть показати себе — можна побачити іскру та почути клацання.
4
Чому батарейка кисла на смак?
Смак відчувається, якщо на язик помістити різні позначки (клеми): «+» та «-». Волога поверхня починає проводити електричний струм. В результаті вода, яка знаходиться в слині, розщеплюється на водень і кисень, а деякі з хімічних сполук розкладаються та утворюють кислотні продукти. Цей процес створює середовище зі зниженим показником кислотності, тому ми відчуваємо кислий смак. Але зауважимо, що краще з цим не експериментувати! Якщо батарейка пошкоджена, є великий ризик отруїтися електролітом, а це може мати погані наслідки.
5
Чому в розетці саме 230 вольтів?
До 2014 року стандартом напруги в Україні було 220 вольтів — це безпечний і при цьому економічно найвигідніший показник. Робоча напруга першої електростанції Томаса Едісона, який винайшов лампи розжарювання з вугільною ниткою та налагодив їх масове виробництво, була 110 вольтів: 100 вольтів — оптимальний показник напруги для ламп, а ще 10 вольтів — втрати в провідниках. Так спочатку і закріпився цей стандарт.

Але коли в Європу прийшли лампи розжарювання з металевою ниткою, потрібно було подвоїти напругу. Тож показник у 220 вольтів знизив втрати у провідниках і при цьому був більш-менш безпечним у побуті. З 2014 року в Україні прийняли стандарт напруги 230 вольтів, а в різних країнах світу він може кардинально відрізнятися. Наприклад, у Японії — 100 В, в США — 120 В, а в Афганістані, Кенії, Лівані - 240 В.
Але коли в Європу прийшли лампи розжарювання з металевою ниткою, потрібно було подвоїти напругу. Тож показник у 220 вольтів знизив втрати у провідниках і при цьому був більш-менш безпечним у побуті. Водночас в різних країнах світу прийняті різні стандарти напруги. Наприклад, у Японії - 100 В, в США — 120 В, а в Афганістані, Кенії, Лівані - 240 В.
6
А чому в потягах розетка розрахована на 110 вольтів?
Це напруга, при якій у дорозі можуть працювати прилади першої необхідності: лампи розжарювання, зарядний пристрій, електробритви, електричні зубні щітки. З більш потужними приладами, на кшталт ноутбуків, розетки з напругою у 110 В можуть не впоратися.
7
А яка напруга б'є болючіше?
Людину вбиває не напруга, а струм. Тому фізично ви не відчуєте різницю між 110 В та 220 В. Більше значення мають ампери. Ось невеличка шпаргалка:

10 мА — фізично відчутний струм;
15 мА — струм невідпускання, коли ви не можете розтиснути пальці;
100 мА — смертельний струм.
8
Що таке перепад напруги?
Перепад напруги — це будь-який показник, що виходить у нашій країні за межі 220 В. В наших мережах часто бувають відхилення від стандартів, як в межах норми — +/- 10 В, — так і значні стрибки або спади. Вони можуть виникати через помилки в плануванні електромереж, їхнє старіння або погане обслуговування, високу зношеність обладнання. Також часто перепади напруги виникають, коли відбувається велике зростання споживання електроенергії - наприклад, коли сусіди одночасно вмикають потужні прилади.
9
Чому від перепадів напруги згоряють зарядки?
Зарядний пристрій розрахований на конкретну напругу та змінює силу струму в розетці на меншу. Якщо напруга зменшується, то це не зашкодить пристрою, а от її збільшення може вивести з ладу стабілізатори. В результаті зарядка може згоріти. У дешевих зарядних пристроях немає запобіжників, тому у разі стрибка напруги вони не тільки згоряють, а можуть й зашкодити телефону.
10
Чому та як деякі тварини виробляють електрику?
Є таке поняття — біоелектричні потенціали. Це електрична напруга, яка виникає в органах, тканинах і окремих елементах клітин тварин, інших живих організмів і навіть рослин. Будь-яка клітина організму є електрично зарядженою системою, але, звісно, різної інтенсивності. Розряд деяких риб — наприклад, електричного вугра — може сягати 1200 В. А от біопотенціали мозку людини мають заряд у декілька мікровольтів, тобто в десятки мільйонів разів менший.

Морські мешканці мають особливу будову м'язів, що виробляють і накопичують електрику. А деякі з них навчилися акумулювати заряди та використовувати їх для полювання або самозахисту. До підводних створінь, які мають такі суперсили, належать електричні скат, вугор, сом, звіздар, рибки гімнархе і деякі одноклітинні, які об'єднуються у ланцюжки та створюють таким чином своєрідні електричні килими.
Накопичення електроенергії відбувається під час руху істоти, коли м'язи постійно змінюють свою форму і взаємодіють з оточенням, а голова і хвіст виступають в ролі плюса і мінуса відповідно. Тобто тіло працює як батарейка. Все це завдяки будові м'язів, що складаються зі стовпчиків, які, своєю чергою, розбиті на пластини. Перші з'єднані паралельно, а другі - послідовно, і між ними існує різниця потенціалів.

А тепер відповідь усім, хто вважає, що риби — тупі створіння. Вони цілеспрямовано та усвідомлено б'ють противника струмом, адже удар здійснюється за допомогою імпульсів. Тож застерігаємо: навіть слабкий випад зі сторони електричної риби може серйозно зашкодити здоров'ю людини, особливо на глибині.
11
Електроавтомобіль чи автівка на звичному пальному — що більше шкодить природі?
Навколо цього питання багато суперечок. Звісно, здається, що відповідь очевидна — автівки з двигуном внутрішнього згоряння викидають в атмосферу шкідливі речовини, в той час як електромобіль навіть вихлопної труби для цього не має.

Насправді не все так просто. Все через акумулятори, у яких використовують літій та кобальт. Під час виробництва цих акумуляторів виділяються токсичні речовини та тонкодисперсний пил, а після закінчення періоду експлуатації акумулятори обов'язково потрібно утилізувати.
⬑ Перший електромобіль Томаса Едісона
Вчені з Единбурзького університету стверджують, що виробництво електромобілів призводить до викиду більшої кількості шкідливих речовин, ніж у випадку з автомобілем на звичному для нас пальному. Про це кажуть й інші шотландські дослідники. А от вчений з університету Хартфордшира Ранжит Сохі впевнений, що вихлопні гази — не найбільша проблема для навколишнього середовища, яку несуть автомобілі. На його думку, більшої шкоди здоров'ю завдають дрібні тверді частинки автопокришок і покриття дорожного полотна, що викидає в атмосферу будь яка машина при розгоні та гальмуванні. Ці тверді частинки суттєво впливають на організм і можуть призвести до серйозних проблем зі здоров'ям. При цьому кількість викидів твердих частинок безпосередньо залежить від маси авто — а електромобілі, як відомо, в середньому на 24% важчі за звичайну машину.
12
Що таке ядерне паливо та як воно працює? Ядра є у будь-яких атомів, чи може бути ядерне паливо з кефіру чи цегли?
Ядерне паливо сьогодні ми використовуємо в атомних електростанціях, космічних апаратах і підводних човнах. В ядерному реакторі відбувається такий процес: ядро атома «обстрілюють» нейтронами — і воно ніби розривається на «уламки». «Уламки» розлітаються з колосальною енергією, а саме їхнє гальмування виділяє велику кількість тепла, яке різними способами можна перетворити на електроенергію. Це тепло нагріває воду до стану пару — той крутить турбіну — турбіна обертає електрогенератор — електрогенератор виробляє електрику. Такий ланцюжок. Зазвичай ядерне паливо має вигляд якоїсь частини тіла Термінатора — це купа паралельних трубок, наповнених урановмісними з'єднаннями. За хімічним складом ядерне паливо може бути:

• Металевим, включаючи сплави;
• Оксидним (наприклад, UO2);
• Карбідом (наприклад, PuC1-x);
• Нітридним;
• Змішаним (PuO2 + UO2).
На відміну від кефіру чи цегли, уран може самостійно підтримувати реакцію розщеплення ядер. Це працює за принципом доміно: при розщепленні якоїсь кількості атомів урану, їхні ядра вивільняють кілька нейтронів, а ті, відповідно, вдаряються об інші атоми урану, вивільняючи ще кілька нейтронів і так далі. Це і називають ядерною реакцією.

Втім, цей процес потрібно пильно контролювати, адже якщо цього не зробити, ядерна реакція може відбутись занадто швидко,
внаслідок чого може статись ядерний вибух.
13
Яка різниця, яке паливо заливати в машину?
Щоб знайти відповідь на це запитання, потрібно з'ясувати, які види двигунів для авто існують. А бувають вони бензиновими, дизельними та електричними. В електричний двигун ми залити паливо не зможемо. Отже, розбираємось із бензиновим та дизельним.

Будь-який двигун внутрішнього згоряння працює завдяки енергії, що виділяється під час згоряння палива. Горить воно приблизно однаково, а загоряється по-різному. В бензинових двигунах використовується іскра, а в дизельних — швидке та сильне стиснення палива. Відповідно, і двигуни зроблені з розрахунку на це.

Краще не плутати, що саме заливати у паливний бак вашої автівки, адже якщо наповнити її невідповідним паливом, вона швидко стане несправною, а ви засмутитесь.
⬑ Кадр із фільму «Нафта», 2007 рік
Це ще не все, адже є різні види бензину — А92, А95 тощо. То що ж це означає? Насправді тут теж все просто. Літера «А» виступає на позначення того, що бензин автомобільний. 92 чи 95 — це октанове число, яке показує здатність опору до детонації під час стиснення. Крім того, виробники ще додають до бензину спеціальні хімічні сполуки, що покращують роботу двигуна. Але тут слід бути обережним, адже це може не завжди бути корисним для автівки. Так, заливати умовно «кращий» бензин у «Жигулі» немає сенсу. Безпрограшний варіант — використовувати те паливо, яке рекомендує виробник вашого авто.
14
Чи існує рубильник, щоб відключити електрику в усьому місті?
Ні, ані кнопки, ані рубильника з таким призначенням не існує. Єдиного центру керування електрикою взагалі немає, адже це дуже розгалужена мережа, що постійно модернізується. Ця мережа може включати і ТЕЦ (теплоелектроцентраль), і АЕС (атомну електростанцію), і ГЕС (гідроелектростанцію), і лінії електропередач, і розподільні станції. У великих містах зазвичай кілька джерел електроенергії, якщо не казати про електрогенератори для запобігання аварійним ситуаціям, наприклад, в лікарнях чи на стратегічних об'єктах. Втім, якщо в якомусь селі дерево впаде на лінію електропередач, то всі залишаться без струму.
15
Як працює безпровідна зарядка для телефона?
На перший погляд, безпровідна зарядка виглядає як чиста магія. Кладеш на спеціальну штуку, схожу на килимок, телефон і він відразу набирається від неї заряду. Втім, принцип її роботи легко пояснюється. Насправді щось подібне ще у 1831 році робив Майкл Фарадей, а над передачею електричного заряду повітрям працював і Нікола Тесла. Тоді застосування цьому явищу не знайшли, сьогодні ж працюють над зарядкою електромобілів від дороги.

Весь секрет у виникненні електричного струму — в замкненому контурі. Будь-який об'єкт з достатньою потужністю — потенційне джерело електромагнітного поля. Навіть навколо звичайної лампочки воно є, адже електрика та магнетизм — це два боки однієї медалі. Коли ми кажемо про безпровідну передачу енергії, то маємо на увазі електричний струм, який біжить через котушку з мідного дроту і створює магнітне поле. Саме так влаштований зарядний пристрій. До речі, він не зовсім безпровідний, адже його потрібно увімкнути в розетку.
Тож що більше дроту в котушці, то потужнішим буде електромагнітне поле. У пристрої, що підтримує безпровідну зарядку, також є така котушка, тільки менша. Коли електромагнітне поле зарядки перетинається з полем навколо телефону, велике поле передає заряд меншому, і вже за якийсь час ви знову зможете користуватись своїм телефоном.
16
Що означають «+» і «-» на батарейках?
Можливо, зі школи ви пам'ятаєте слова «полярність», а також «катод» (тобто негативний електрод, «-») та «анод» (позитивний електрод, «+»). Саме це й означає маркування. Якщо звернутися до фізики, то це про напрямок руху електронів. Як тільки до батарейки підключається якийсь прилад, то «+» об'єднується з «-» в електричний ланцюг. Всередині батарейки знаходиться спеціальна речовина — електроліт, і все це разом починає виробляти струм.

Якщо приєднати батарейку неправильним боком, то є два варіанти. Більшість сучасних приладів мають від цього захист, тож нічого не станеться. Якщо ж ні, то прилад може вийти з ладу. Однак є й такі, яким байдуже на полярність — це, наприклад, деякі ліхтарики.
17
Що енергетично найпотужніше у світі?
Якщо брати всю історію Всесвіту, то це, звісно, Великий вибух, який майже 14 млрд років тому бабахнув так, що утворив усе, що тільки є навколо. Наступний за масштабом викид енергії став новиною зовсім нещодавно. У 2020-му в НАСА остаточно підтвердили, що у 390 млн світлових років від Землі, в скупченні галактики Змієносця, відбувся неймовірний спалах. Він був настільки грандіозним, що спочатку астрофізики навіть не повірили, що це саме викид енергії. Однак тепер факти свідчать: джерелом вибуху стала чорна діра, а в слід від нього поміститься 15 наших галактик Чумацький Шлях.
⬑ A tour of the biggest explosion ever seen in the universe
Якщо ж спуститися на Землю, то масштабні разові викиди енергії в задокументованій історії людства — це, наприклад, виверження Кракатау в 1883 році. Вважається, що воно було в 10 тис. разів потужнішим за вибух бомби, яка знищила Хіросіму. Або, власне, сама атомна зброя: у 1961 СРСР підірвав «цар-бомбу» потужністю близько 50 мегатонн. Як результат: вогняний шар діаметром 8 км і розбиті вікна у тисячах кілометрів від епіцентру.

А що ж у нас із корисною енергією? «Три ущелини» — це гребля на річці Янцзи в Китаї. Найбільша у світі електростанція й найважча у світі споруда — 65,5 млн тонн. Вона виробляє стільки енергії (100 тВт/годину), що тепловій електростанції для цього треба було б спалити 50 млн тонн вугілля. Ця ГЕС повністю забезпечує енергією аж десять провінцій Китаю! Ну і наостанок про масштаб: спорудження «Трьох ущелин» вплинуло навіть на швидкість обертання планети і збільшило довжину дня на 0,06 мікросекунди.
18
Чому хтось виживає після удару блискавкою, а хтось — ні? Тобто чому люди по-різному реагують на удар струмом?
Перш за все: будьте обережні! Блискавка — це десятки мільйонів вольтів напруги, що несуться з третиною швидкості світла, і щороку від них гинуть десятки тисяч людей. Втім, навіть якщо під час грози ви ніколи нікуди не ходите, небезпека є. Адже якщо щось піде не так, то нести загрозу можуть навіть звичні побутові прилади.

Однак чому ж, на щастя, гинуть не всі, кого вдарила блискавка або несправний тостер?

Все через те, що вплив струму на організм людини визначається купою факторів: потужністю удару, часом цього впливу та видом струму (постійний чи змінний). Та й від людини теж залежить чимало: вік, стан здоров'я, вологість тіла, місце, де входить струм, і те, як саме він йде далі. Скажімо, пітна людина має набагато нижчий опір, тож удар струмом для неї набагато небезпечніший.
Дуже важливо те, як саме струм рухається організмом. Найбільша небезпека, коли він проходить через важливі органи: мозок, серце, легені, нирки. Серед найбільш загрозливих петель (так називають шлях струму) рука-рука та ліва рука-ноги.

Ну і наостанок — головне правило: якщо ви бачите, що когось б'є струмом, треба якнайшвидше розімкнути контакт. Бажано — так, щоб самому не торкатися людини, бо може вдарити й вас. Висмикуйте дроти з розетки, використовуйте деревину чи інші діелектрики, ну, а якщо вже ніяк, то стрибком відштовхніть людину.
19
Якщо всюди зникне електрика, як можна її зробити самому?
Є чимало альтернативних способів. Скажімо, енергія води чи вітру нікуди не дінеться. Однак струм можна отримати, навіть якщо не будувати серйозних інженерних споруд. Наприклад, з картоплі. Чи з яблука. Або лимона.

Річ у тім, що сік багатьох овочів та фруктів має солі та кислоти, тобто фактично це — природний електроліт. Тож якщо встромити в бульбу два мідних проводи через оцинковані цвяхи, то ви отримаєте малий, але струм. Ну, а якщо все зробити більш технологічно, то можна й штучне освітлення собі забезпечити!
20
Чи може нафта колись закінчитись? І що тоді буде?
Нафта й природний газ — це фактично перетравлені Землею рештки стародавніх істот. Оскільки істот цих була певна кількість, то й речовини ці колись закінчаться. Але коли саме — тут точності чекати не варто через те, що складно оцінити обсяги нафти як у вже відомих родовищах, так і в тих, які ще навіть не відкриті.

Втім, більшість аналітиків, в тому числі з нафтового гіганта British Petroleum, припускають, що запасів нам вистачить ще років на 50, тобто десь до 2070 року. Враховуючи, що до 2050 потреби людства в енергії, за даними дослідницької організації Bloomberg NEF, яка, серед іншого, займається питаннями енергетики, виростуть на 57%, шукати заміну треба вже зараз — і швидко. Адже ми серйозно підсіли на нафту. Енергія, опалення, техніка, харчові продукти, ліки, одяг, комп'ютери — все це прямо чи опосередковано потребує нафти.
Скажімо, для виготовлення автомобіля потрібно вдвічі більше нафти, ніж вага самого авто. А на виробництво грамового мікрочипа — основи сучасного світу — треба 630 грамів нафти. Наразі нафта забезпечує близько третини світових енергетичних потреб. Решту — газ, вугілля та альтернативна енергетика. Саме в альтернативних джерелах енергії може бути вихід. Одночасно потрібно підвищувати ефективність енерговикористання і продуктивність праці, інакше проблеми у нас почнуться задовго до прогнозованого 2070-го.

Втім, всіх може врятувати альтернативна теорія. Вона стверджує, що нафта з'явилася не з решток прадавніх істот, а утворюється постійно завдяки хімічним реакціям в глибині Землі.

Хай там як, людству не варто забувати, що саме енергія привела нас туди, де ми є зараз. І саме нерозумне її використання може знову відкинути нас назад.
Даний матеріал став можливим завдяки підтримці американського народу через Агентство США з міжнародного розвитку (USAID) в рамках Проєкту енергетичної безпеки (ПЕБ) та грантової ініціативи «Молода енергія». Погляди авторів не обов`язково відображають позицію USAID або Уряду Сполучених Штатів.
E-mail дайджест від PLATFOR.MA!
Пишемо листи, які хочеться витягати зі спаму, навіть якщо вони туди випадково потрапили. Регулярно розповідаємо історії зі сфери креативу та соціально важливих тем, аби вам було, чим надихатися.