Давайте разберемся в судьбоносной физике электричества

Для непосвященных электричество может показаться некой скрытой магией. Оно действует по законам физики, которые мы не всегда можем воспринять глазами.

Но большая часть нашей жизни зависит от электричества. Каждый, кто хоть раз пережил отключение электричества, знает, насколько это неудобно. На более широком уровне трудно недооценить, насколько жизненно важен поток электроэнергии для обеспечения функционирования современного общества.

"Если я потеряю электричество, я потеряю телекоммуникации. Я потеряю финансовый сектор. Я потеряю водоочистку. Я не смогу доить коров. Я не могу охлаждать продукты", - говорит Марк Петри, исследователь электрических сетей в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.

Поэтому еще важнее знать, как работает электричество, откуда оно берется и как попадает в наши дома.

Как работает электричество?

Вселенная, как мы ее знаем, управляется четырьмя фундаментальными силами: сильной ядерной силой (которая удерживает субатомные частицы вместе внутри атомов), слабой ядерной силой (которая направляет некоторые виды радиоактивности), гравитацией и электромагнетизмом (который управляет неразрывно связанными понятиями электричества и магнетизма).

Один из ключевых постулатов электромагнетизма заключается в том, что субатомные частицы, из которых состоит космос, могут иметь как положительный, так и отрицательный заряд. Чтобы использовать их как форму энергии, мы должны заставить их течь в виде электрического тока. Электричество, которое мы имеем на Земле, образуется в основном за счет движения отрицательно заряженных электронов.

Но чтобы удержать электроны в потоке, требуется нечто большее, чем заряд. Частицы не успевают далеко улететь, как наталкиваются на препятствие, например, на соседний атом. Это означает, что электричеству нужен материал, атомы которого имеют свободные электроны, которые могут быть отбиты для проведения тока. Такой материал называется проводником. Большинство металлов обладают проводящими свойствами, например, медь, из которой изготовлено множество электрических проводов.

Другие материалы, называемые изоляторами, имеют гораздо более плотно связанные электроны, которые не так легко сдвинуть с места. Пластик, которым покрыто большинство проводов, является изолятором, вот почему вы не получаете неприятного удара током, когда прикасаетесь к шнуру или вилке.

Некоторые ученые и инженеры считают электричество чем-то вроде воды, текущей по трубе. Объем воды, проходящей через участок трубы в определенный момент времени, можно сравнить с количеством электронов, проходящих через определенную нить провода, которое ученые измеряют в амперах. Давление воды, которое помогает проталкивать жидкость, подобно электрическому напряжению. Когда вы умножаете амперы на вольты, вы вычисляете мощность или количество энергии, проходящей через провод каждую секунду, которую электрики измеряют в ваттах. Таким образом, мощность вашей микроволновой печи - это приблизительно количество электрической энергии, которое она потребляет в секунду.

Как электроны переносят напряжение по проводам

Согласно закону электромагнетизма, если провод попадает в магнитное поле и это магнитное поле смещается, то в проводе индуцируется электрический ток. Именно поэтому большая часть электроэнергии в мире вырабатывается генераторами, которые обычно представляют собой вращающиеся магнитные аппараты. Когда генератор вращается, он посылает электричество по проводу, намотанному вокруг него.

Для обеспечения энергией целого города требуется колоссальный генератор, потенциально размером со здание. Но для получения энергии от этого генератора требуется энергия. На большинстве электростанций, работающих на ископаемом топливе и на атомных электростанциях, источник топлива превращает воду в пар, который заставляет турбины вращать соответствующие генераторы. Гидро- и ветрогенераторы используют преимущества движения самой природы, перенаправляя воду или порывы ветра для вращения. Солнечные панели работают по-другому, потому что им совсем не нужны движущиеся магниты. Когда свет попадает на солнечную батарею, он возбуждает электроны в атомах материала, заставляя их выходить наружу в виде тока.

Легче передавать энергию при большом количестве вольт и меньшем количестве ампер. Поэтому для передачи электроэнергии от электростанций на большие расстояния используются линии электропередач с напряжением в тысячи вольт. Это слишком высокое напряжение для большинства зданий, поэтому электросети полагаются на подстанции, которые понижают напряжение для обычных розеток и домашней электроники. В зданиях Северной Америки напряжение обычно составляет 120 вольт; в большинстве других стран мира используется напряжение от 220 до 240 вольт.

Ток также не течет в одну сторону - вместо этого он постоянно меняет направление туда и обратно, что инженеры называют переменным током. Это позволяет ему преодолевать расстояния до нескольких тысяч миль. Провода в Северной Америке переключают ток с одного направления на другое 60 раз каждую секунду. В других частях света, в частности в Европе и Африке, они меняют направление тока 50 раз в секунду.

В результате ток поступает в распределительный щиток вашего здания. Но как этот ток попадает к вашим электронным устройствам?

Для поддержания непрерывного потока электроэнергии системе необходима полная цепь. В зданиях повсеместно используются неполные цепи. Розетка с двумя отверстиями содержит один "живой" провод и один "нейтральный" провод. Когда вы подключаете лампу, кухонный прибор или зарядное устройство для телефона, вы завершаете эту цепь, позволяя электричеству течь от провода под напряжением, через прибор и обратно через нейтральный провод для передачи энергии.

Другими словами, если вы суете палец в розетку под напряжением, вы временно замыкаете цепь своим телом (несколько болезненно).

Будущее электричества

Еще не так давно электричество было роскошью. В конце 1990-х годов почти треть населения Земли жила в домах без электричества. С тех пор мы сократили эту долю более чем наполовину, но около миллиарда человек, в основном в странах Африки к югу от Сахары, все еще не имеют электричества.

Исторически сложилось так, что почти вся электроэнергия начиналась на крупных электростанциях и заканчивалась в домах и на предприятиях. Но переход на возобновляемые источники энергии меняет этот процесс. В среднем солнечные и ветряные электростанции меньше, чем громоздкие угольные станции и плотины. В дождливые и безветренные дни гигантские батареи могут поддержать их накопленной энергией.

"То, что мы наблюдаем, и то, что мы можем ожидать увидеть в будущем, - это серьезная эволюция сети", - говорит Петри.

Инфраструктура, которую мы строим вокруг электричества, имеет значение как для здоровья планеты, так и для людей. В 2020 году только 39% электроэнергии в мире будет поступать из экологически чистых источников, таких как атомные и гидроэлектростанции, по сравнению с ископаемым топливом, выбрасывающим CO2.

К счастью, есть много причин для оптимизма. По некоторым оценкам, солнечная энергия сейчас является самым дешевым источником энергии в истории человечества, а ветровая энергия не сильно отстает от нее. Более того, все большее число пользователей коммунальных услуг устанавливают на крышах солнечные панели, солнечные генераторы, тепловые насосы и тому подобное. "Дома людей не просто берут энергию из сети", - говорит Петри. Они возвращают энергию в сеть". Это гораздо более сложная система".

Законы электричества не меняются в зависимости от того, откуда мы выбираем источник тока. Но последствия наших решений о том, как использовать эту энергию, имеют значение.