Превращение электрической

Большое внимание во многих странах мира уделяется непосредственному преобразованию химической энергии органического топлива в электрическую, осуществляемому в топливных элементах. В этих преобразователях энергии можно получить более высокие значения КПД, чем у тепловых машин. В 1893 г. немецкий физик и химик Нернст вычислил, что теоретический КПД электрохимического процесса превращения химической энергии угля в электрическую равен 99,75%.

Автономные источники электрической энергии в основном базируются на принципе превращения химической энергии в электрическую. Получение электрической энергии от химического источника тока возможно лишь при протекании в нем химической реакции. Однако не всякая химическая реакция может быть применена

Для превращения химической энергии процесса в электрическую, которая могла бы совершить работу, необходимо пространственно разделить оба процесса, т. е. создать устройство, в котором окисление цинка происходило бы на поверхности цинка, а водород выделялся бы не на цинке. Это было осуществлено в 1800 г. итальянским физиком Вольтом, который впервые создал простейший Химический источник тока. Такой источник тока представляет собой цинковую и медную пластины, погруженные в раствор серной кислоты ( 1). Обе пластины и раствор образуют внутреннюю цепь источника тока.

Большое внимание во многих странах мира уделяется установкам, осуществляющим непосредственное преобразование химической энергии органического топлива в электрическую энергию, — топливным элементам. В этих установках могут быть получены более высокие значения к. п. д., чем у тепловых машин. В 1893 г. немецкий физик и химик Нернст вычислил, что теоретический к. п. д. электрохимического процесса превращения химической энергии угля в электрическую равен 99,75%.

Мощность ПЭ прямого превращения химической энергии в механическую (мускулы животных, «ящик» Вант-Гоффа) также ограничивается малой скоростью диффузионных процессов через поверхность мускульных волокон или полупроницаемые мембраны. Поэтому плотность потока энергии здесь не должна превысить таковой в топливных элементах.

Концентрация энергии в химических органических топливах примерно в 30 млн. раз меньше, чем в ядерных. Поэтому транспортирование их обходится дорого и стоимость его является существенной составляющей в расходах на производство полезных видов энергии. Полнота превращения химической энергии в тепловую— 90—95%, в механическую — до 40—45%, в электрическую — до 70—80% и выше (в топливных элементах).

Однако недавно предложен способ работы [100], позволяющий без таких перегородок провести смешанный процесс превращения химической энергии в механическую и тепловую и тепловой в механическую с небольшими потерями, с КПД, близким к определяемому по формулам (3.44).

Все эти работы открыли принципиальную возможность прямого превращения химической «силы» •— энергии в электрическую. И уже в 1801 г. Дэви создает первый углеродно-кислородный «топливный элемент». В 1833 г. А. Беккерель разрабатывает углеродно-воздушный топливный элемент с расплавленным электролитом и платиновым катодом. Наконец, в 1839 г. Гров строит первый водородно-кислородный эл,емент. И хотя теория свидетельствовала, что КПД этих преобразователей должен быть в 2 раза выше, чем у тепловых двигателей, низкий общий научно-технический уровень того времени не позволил получить реально это значение, и к разработке топливных элементов вернулись только в 1958—1960 гг.

Турбина — самый ответственный этап в технологическом процессе превращения химической энергии угля в электрическую. EfapOiBafl турбина — машина очень высокой точности: ротор ее делает 1,5—3 тысячи обо-

По существу вопрос состоит в том, чтобы найти новый способ превращения химической энергии, заключенной в топливе, в электрический ток. Видят ли ученые, хотя бы в принципе, такой новый способ?

Мы говорили о тех путях, которыми идут ученые-теплотехники к главной своей цели — высокому коэффициенту полезного превращения химической энергии топлива в электрический ток. Один из этих путей — дальнейшее совершенствование многих элементов газовой турбины. Но, как мы видели, газовые турбины, безраздельно завоевавшие сегодня скоростную авиацию, еще не очень твердо чувствуют себя на земле. И когда они смогут эффективно заменить паровые турбины, обеспечив лучшую, по сравнению с паровой турбиной, экономичность в самых что ни на есть земных обычных условиях, пока неясно.

Сначала рассматривается энергия линейной, потом нелинейной системы заряженных тел и соответственно контуров с токами, распределение энергий в их полях. Затем излагается наиболее важное в электротехнике — превращение электрической энергии в механическую на примере электроизмерительных приборов, а также принцип работы электрических машин в генераторном и двигательном режимах и движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.

Возможность создания электрического двигателя была обусловлена успехами в области электромагнетизма. Вторая четверть XIX в. характеризуется разработкой разнообразных физических приборов, наглядно демонстрирующих превращение электрической энергии в механическую. Первый электродвигатель, с помощью которого осуществлен электропривод, был построен в 1834—1838 гг. петербургским академиком Б. С. Якоби, в 1838 г. на Неве были проведены испытания этого двигателя, установленного на небольшом катере, вмещавшем 12—14 чел.; это было первое судно, приводившееся в движение электродвигателем. Однако отсутствие экономичных источников электрической энергии не позволило внедрить электропривод в промышленность. Развитие электропривода совершалось в длительной борьбе со старыми, отживающими способами распределения механической энергии, и прошло более полувека, прежде чем окончательно победило передовое прогрессивное направление. До создания промышленного типа электрического генератора (3. Грамм, 1870 г.) встречались лишь отдельные случаи применения электропривода. Известно, например, что в 50—60-х годах XIX в. некоторое распространение получил электродвигатель французского электротехника Фромана, приводивший в движение типографские и ткацкие станки. Прогрессивную роль в развитии электропривода сыграло изобретение в 1860 г. итальянским ученым А. Пачинотти электродвигателя с кольцевым якорем.

тель. Как показано в п. 4 § 2.6, в двигателе возникает э. д. с. индукции «?„, направленная навстречу приложенному напряжению, а следовательно, и току; кроме того, двигатель имеет, очевидно, внутреннее сопротивление RB. Такого рода приемник может быть представлен в виде схемы, показанной на 3.1, б. Аналогичен случай зарядки аккумулятора, когда ток направлен против э. д. с. аккумулятора, за счет чего и происходит превращение электрической энергии в химическую.

В катушке происходит необратимое превращение электрической энергии в тепловую форму, поэтому активная мощность катушки

Существенным вопросом в работе асинхронного двигателя является превращение электрической энергии, потребляемой из сети, в механическую, а в работе асинхронного генератора — превращение механической энергии, получаемой от первичного двигателя, в электрическую энергию, отдаваемую в сеть. В обоих случаях энергия передается через магнитное поле воздушного зазора из статора на ротор или наоборот. Передача энергии через зазор связана с развиваемыми на роторе силами электромагнитного происхождения, создающими вращающий момент, являющийся электромагнитным моментом машины. Преобразование энергии из одного вида в другой неизбежно связано с потерями в различных частях машины. Поэтому мощности потока энергии, потери и вращающие моменты представляют комплекс вопросов, имеющих Существенное значение для изучения рабочих свойств асинхронной машины.

1) электротермические процессы, в которых используется превращение электрической энергии в тепловую ДЛЯ нагрева материалов и изделий в целях изменения их свойств или формы, а также для их плавления и испарения;

4) электрофизические методы обработки, при которых для воздействия на материалы используется превращение электрической энергии как в механическую, так и в тепловую (электроэрозионная, ультразвуковая, магнитоим-пульсная,электровзрывная);

Превращение электрической энергии wr в тепловую впервые было доказано опытным путем Джоулем и Ленцем, установившими тепловой эквивалент электрической энергии, равный 0,24 кал/Дж.

В дуговых электрических печах превращение электрической энергии в тепло происходит в основном в электрическом разряде, протекающем в газовой среде или вакууме. В таком разряде можно сосредоточить в сравнительно небольших объемах огромные мощности и получить очень высокие температуры. При этом в камере печи возникают большие температурные перепады, и поэтому невозможно достичь равномерного нагрева материалов или изделий. По этой же причине здесь затруднительно обеспечить точное регулирование температуры «агрева, а поэтому, нельзя проводить термическую обработку. Наоборот, для плавки материалов, в особенности металлов, дуговая печь очень удобна, так как высокая концентрация энергии позволяет быстро проводить расплавление. Дуговые устройства удобны также для проведения электротермических химических реакций в жидкой или газовой фазе и подогрева газов. Во всех этих случаях неравномерность нагрева не играет большой роли, так как благодаря теплопроводности и конвекции в жидкой ванне или газовом потоке температура довольно быстро выравнивается.

Большую группу электротехнологического оборудования составляют электротермические установки, предназначенные для нагревания различных изделий. Превращение электрической энергии в тепловую в этих установках производится различными способами: пропусканием тока по специальным нагревательным элементам или по нагреваемому изделию, созданием электрической дуги, наведением индуктированных токов в проводящем нагреваемом изделии, наведением токов смещения в диэлектрике, помещаемом в электрическом поле высокой частоты.

2. Преобразователи, в которых измеряемая величина регулирует превращение электрической энергии: вспомогательного источника в электрическую энергию выходного сигнала. Для работы этих преобразователей необходим вспомогательный источник питания. К этой группе можно отнести магнитоупругие индукционные преобразователи, основанные на обратном эффекте Видемана.