Получение электрической энергии из других видов энергии

Введение

Получение электрической энергии из других источников – процесс, который лежит в основе многих современных технологий. По сути, всё сводится к тому, как разные силы помогают разделить положительные и отрицательные заряды внутри вещества. В одних случаях за это отвечают силы электрического поля, а в других – внешние воздействия, такие как химические реакции, тепловые процессы или даже контактные явления.

Представьте, что в каком-то устройстве заряженные частицы начинают двигаться не только под действием обычного электрического поля, но и под влиянием других сил. Эти дополнительные эффекты, например, могут возникать из-за изменения температуры или химических превращений, что помогает создать разность потенциалов – ту самую электродвижущую силу (ЭДС), которая запускает поток электрического тока.

Ещё один интересный момент – движение заряженных частиц в магнитном поле. Это тоже вызывает образование электрического поля, способного приводить в действие проводящие среды. Таким образом, вне зависимости от того, идет ли речь о химической, тепловой или даже световой энергии, ключевым моментом всегда остается процесс разделения зарядов, благодаря которому формируется ЭДС.

В дальнейшем можно будет подробнее рассмотреть, как именно различные виды энергии – будь то химическая, тепловая или световая – преобразуются в электрическую, и какие количественные параметры характеризуют этот процесс.

Преобразование химической энергии в электрическую

Пример преобразования химической энергии в электрическую лежит в основе работы таких устройств, как гальванические элементы, аккумуляторы и топливные элементы.

Рассмотрим ситуацию, когда цинковая пластина помещается в раствор серной кислоты (электролит).

В процессе химической реакции цинк растворяется, выделяя положительно заряженные ионы Zn⁺, а сама пластина приобретает отрицательный заряд. Эти химические силы заставляют атомы цинка переходить в раствор. На границе между пластиной и раствором возникает электрическое поле, направленное от раствора к металлу. По мере растворения цинка, поле усиливается, и когда заряд на пластине достигает определённой величины, это поле начинает препятствовать дальнейшему уходу ионов Zn⁺ в раствор. Процесс растворения прекращается, когда силы, способствующие растворению, уравновешиваются с силами, препятствующими этому процессу. В этот момент наступает равновесие. Если в раствор добавить другую металлическую пластину, то на границе с раствором возникнет своя разность потенциалов, которая может быть больше или меньше, чем у цинка. Соединив эти две пластины проводником, мы создаём замкнутую электрическую цепь, в которой возникает электродвижущая сила (ЭДС). Это принцип работы всех гальванических элементов и аккумуляторов, которые преобразуют химическую энергию в электрическую, способствуя протеканию электрического тока.

ЭДС между двумя пластинами можно выразить формулой:

 E = U_1 - U_2

где U₁ и U₂ — разности потенциалов на каждой из пластин.

В гальваническом элементе электрическая энергия появляется благодаря химическим процессам. Химические силы (их ещё называют сторонними) создают и поддерживают электродвижущую силу (ЭДС), поэтому можно сказать, что здесь происходит преобразование химической энергии в электрическую.

Когда через элемент начинает течь ток, внутри него идут электрохимические процессы, но они необратимы. Всё это можно описать конкретными химическими реакциями, и со временем активные вещества электродов истощаются. Именно поэтому срок службы гальванических элементов ограничен, а количество вырабатываемой ими энергии невелико.

В отличие от них, аккумуляторы устроены иначе. Их главное преимущество — способность к многократному заряду и разряду. Это возможно благодаря тому, что химические процессы в них обратимы. Во время зарядки аккумулятор накапливает энергию, а при разряде отдаёт её во внешнюю цепь в виде электрической. Например, на рисунке ниже показан процесс разрядки свинцового аккумулятора.

Следующим шагом в развитии технологий прямого преобразования химической энергии в электричество стало создание топливных элементов. Они похожи на гальванические элементы тем, что работают за счёт химических реакций, но имеют важное отличие: их активные вещества можно пополнять. В качестве топлива могут использоваться водород, природный газ или нефтепродукты, а в роли окислителя — кислород или воздух. Это делает топливные элементы практически неограниченными по времени работы.

Благодаря своей эффективности и широкому диапазону мощностей (от нескольких ватт до сотен киловатт) топливные элементы нашли применение во многих сферах, особенно в автономных транспортных средствах. Кроме того, они обладают рядом преимуществ: работают бесшумно, не создают радиопомех и не выбрасывают вредных веществ в атмосферу. Всё это делает их перспективной технологией для будущего.

Преобразование тепловой энергии в электрическую

Преобразование тепловой энергии в электрический ток может быть реализовано через эффекты, возникающие на границе соприкосновения различных металлов или полупроводников. В этом процессе ключевую роль играют силы, обусловленные диффузией заряженных частиц.

Значение контактной разности потенциалов определяется не только характеристиками материалов, вступающих в контакт, но и температурой этого контакта, поскольку изменение температуры влияет как на энергию свободных электронов, так и на их концентрацию.

Рассмотрим замкнутую электрическую цепь, состоящую из двух различных металлов.

При условии равенства температур на контактах 1 и 2, разности потенциалов на этих участках совпадают по величине, но направлены в противоположные стороны, что приводит к нулевому результирующему напряжению:

U_{к1} = U_{к2} = \frac{A_1 - A_2 + A_2 - A_1}{e} = 0.

Однако при создании температурного градиента, например, если контакт 1 нагревается (t₁ > t₂), возникает дополнительный скачок потенциала именно в этом участке. В результате неравенство U_к1 > U_к2 приводит к формированию термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС), амплитуда которой пропорциональна разности температур:

E_T = U_{к1} - U_{к2} = E_0 (t_1 - t_2)

где коэффициент E₀ определяется свойствами используемых металлов.

Благодаря высокой концентрации свободных электронов в металлах их перераспределение при переходе через границу контакта минимально. Из-за этого контактная разность потенциалов остается сравнительно низкой и слабо зависит от температуры. По этой причине металлические термоэлементы характеризуются небольшой термо-ЭДС и низким КПД, что ограничивает их применение в основном измерительными устройствами для контроля температуры.

В полупроводниках при повышении температуры существенно возрастает концентрация свободных носителей заряда (электронов и дырок), что принципиально отличает их от металлических материалов. Увеличение плотности носителей обеспечивает формирование более высокой термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС) и повышенного коэффициента полезного действия (КПД) в сравнении с металлическими термоэлементами.

Стандартная конструкция полупроводникового термоэлемента включает два вида полупроводников, отличающихся типом проводимости (n- и p-тип).

В полупроводнике n-типа преобладают электроны, в то время как в p-типа основными носителями заряда являются дырки. При нагревании области контакта с металлической пластиной в обоих материалах резко возрастает концентрация свободных носителей, что приводит к их активной диффузии к более холодному участку.

• В n-типе электроны смещаются к холодному концу, формируя отрицательный потенциал.
• В p-типе к холодному концу перемещаются дырки, что приводит к образованию положительного потенциала.

Возникающая разность потенциалов обусловлена именно диффузией носителей заряда. При подключении нагрузки (например, резистора) к холодным концам термоэлемента цепь замыкается, и в ней устанавливается электрический ток.

Практическая реализация данной технологии нашла отражение в создании первых термоэлектрогенераторов на полупроводниковой основе. В частности, в 1964 году в СССР был разработан и запущен в эксплуатацию первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор мощностью 500 Вт. Современные исследования в этой области сосредоточены на дальнейшем повышении КПД, увеличении выходной мощности и расширении областей применения термоэлектрических систем.

Преобразование лучистой энергии в электрическую

Концентрация и энергия свободных носителей заряда в полупроводниках могут увеличиваться не только при тепловом воздействии, но и под влиянием электромагнитного излучения, включая свет и инфракрасные волны. Этот эффект известен как фотопроводимость, или внутренний фотоэффект, и является ключевым принципом работы множества современных электронных устройств, таких как фотосопротивления.

Принцип работы твердотельного фотоэлемента с запирающим слоем, который также называют вентильным фотоэлементом.

В его основе лежит контакт двух различных полупроводниковых материалов: один обладает электронной проводимостью, а другой — дырочной. Благодаря взаимной диффузии носителей заряда возникает контактная разность потенциалов U_к.

При попадании света на поверхность полупроводника происходит генерация дополнительных свободных носителей заряда: электроны появляются в p-полупроводнике, а дырки — в n-полупроводнике. Под воздействием электрического поля они начинают перемещаться через p-n-переход, в результате чего электроны устремляются в электронный полупроводник, а дырки — в дырочный. Этот процесс приводит к изменению энергетического барьера контакта, что снижает уровень разности потенциалов до новой стабильной величины U_к.с.

Разница между потенциальными барьерами в освещённом и неосвещённом состоянии определяет фотоэлектродвижущую силу, которая рассчитывается по формуле:

E_c = U_к - U_{к.с}

Чем выше интенсивность освещения, тем больше величина фото-ЭДС, что приводит к увеличению электрического тока в цепи. Таким образом, происходит прямое преобразование световой энергии в электрическую.

Фотоэлектрические генераторы играют важную роль в современных технологиях возобновляемой энергетики, обеспечивая эффективное преобразование солнечного излучения в электричество. Их применение особенно актуально в космической отрасли, где они используются для питания спутников, орбитальных станций и других автономных систем. Сегодня технологии солнечной генерации активно развиваются и применяются не только в космосе, но и на Земле, способствуя внедрению экологически чистых источников энергии.

Электродвижущая сила и мощность источника электрической энергии

Электродвижущая сила (ЭДС) E возникает в результате работы сторонних сил, перемещающих заряженные частицы внутри системы. Для количественной оценки этого явления используется отношение работы, совершаемой над зарядами, к величине самого заряда:

E = \frac{A_{ст}}{Q}

Единицей измерения ЭДС, как и напряжения, является вольт (В).

Положительное направление ЭДС совпадает с направлением воздействия сторонних сил на положительно заряженные частицы. В соответствии с этим направлением определяется и движение электрического тока в цепи.

В случае, когда ток образуется потоком электронов, ЭДС ориентирована противоположно их движению, то есть внутри источника она направлена от отрицательного полюса к положительному. Таким образом, внутри самого источника электрической энергии направления тока и ЭДС оказываются совпадающими.

Сторонние силы совершают работу A_ст, которая превращается в энергию, передаваемую из источника во внешнюю цепь. Это количество энергии называется электрической энергией источника:

W_{и} = A_{ст} = EQ

Так как заряд Q можно выразить через ток

Q = It

то выражение для электрической энергии принимает вид:

W_{и} = EIt

Эта формула позволяет вычислить количество энергии, произведенной источником за определенный временной промежуток. Однако сама по себе она не дает возможности оценить эффективность работы источника, поскольку разные источники могут генерировать одинаковый объем энергии, но за разное время.

Чтобы оценить эффективность источника, следует учитывать не только количество выработанной энергии, но и скорость ее преобразования, то есть мощность источника:

P_{и} = \frac{W_{и}}{t} = \frac{EIt}{t} = EI

Мощность измеряется в ваттах (Вт), а энергия — в джоулях (Дж).

Из этого следует, что:
1 ватт = 1 вольт × 1 ампер,
1 джоуль = 1 вольт × 1 ампер × 1 секунда = 1 ватт × 1 секунда.

Для удобства измерения больших значений энергии и мощности применяются производные единицы:
1 киловатт (кВт) = 10³ Вт,
1 мегаватт (МВт) = 10⁶ Вт,
1 киловатт-час (кВт·ч) = 3.6×10⁶ Дж.

Эти величины широко используются в энергетике, промышленности и повседневных расчетах потребления электроэнергии.