Електричеството е онзи феномен, без който не можем да си представим съвременния живот. Магията на електрическата крушка, смарт телевизора, хладилника и всеки един уред, за който можем да се сетим, не би била възможна без него, а домашното удобство и абсолютния комфорт, на който сме свикнали, биха били само далечен мираж.
Пътешествието на електричеството започва преди повече от 270 години, когато неговият откривател Бенджамин Франклин провел прочутия си експеримент с хвърчило по време на гръмотевична буря, който му помогнал да докаже по неоспорим начин връзката между светкавиците и електрическия заряд. Пътят, който представата ни за това явление изминава, е дълъг и на моменти сложен, но си остава все така значим за ежедневието на всеки един модерен човек.
В началото бе искрата
Противно на общоприетите възприятия, историята на електричеството започва още през далечната 500 година пр. н.е, когато Талес от Милет съвсем неволно се оказва в основата на първия документиран случай на статично електричество. Успява да го генерира по изключително необичаен начин - като потърква плат и кехлибар. Оказало се, че формираното поле има свойството да привлича леки предмети като пера.
2000 години по-късно, английският лекар и физик Уилям Гилбърт публикува първите официални теории за електричеството в труда си “De Magnete”. Около това време се появява и книгата на Робърт Уилям Бойл, британски химик и физик, която е на тема механичния произход на електрическите явления.
В общи линии, в периода до около 1600-1700 година не се случва нищо по-значимо в развитието на концепцията за електричество. Същинският старт на проучванията и съзирането на огромния потенциал, който това явление носи, започва с Бенджамин Франклин, за да премине през имена като Майкъл Фарадей, Алесандро Волта, Андре-Мари Ампер, Томас Едисон, Никола Тесла и много, много други учени и изследователи, записали имената си със златни букви в историята на човечеството.
И като споменахме Бенджамин Франклин…
1752 година. Буря. Притъмняло и мрачно небе. Гръмотевици. Проливен дъжд. И един перспективен американски учен, любопитен да тества своя идея, формирала се в главата му от известно време насам. С помощта на едно съвсем обикновено хвърчило изключително необикновеният Бенджамин Франклин успява да постигне нещо, което не е било доказано до този момент, а именно да идентифицира електрическата природа на светкавиците.
Придружен от сина си Уилям, Бенджамин Франклин съвсем осъзнато поема на една от най-паметните разходки в историята на човечеството, която преобръща представите за естеството на материята около нас. Закачайки метална жица на върха на гореспоменатото хвърчило, ученият успява да улови статичния заряд от бурята и да го съхрани в т.нар. Лайденска стъкленица, конструирана за пръв път само няколко години преди това. Устройството служи за по-късното изследване и детерминиране на субстанцията.
Проводникът на върха, от своя страна, е първообразът на мълниепреносния прът, който и до днес е интегрална част от множество мълниезащитни инсталации. По продължението на хвърчилото Франклин връзва конопена и копринена нишка, като първата оставя да бъде намокрена от дъжда, за да проведе електричеството, а втората оставя суха. С помощта на копринената връв той успява да задържи хвърчилото по сигурен начин, скрит под навес. Към конопената връв пък прикрепя метален ключ.
Вследствие на статичното електричество конопената нишка се наелектризира. Американският учен премества ръката си по-близо до ключа, за да може отрицателният заряд на метала да си взаимодейства с положителния такъв на ръката му. И да, той усеща кратка безобидна искра, която всъщност е всичко, от което той има нужда към момента.
Ако трябва да сме напълно откровени, Бенджамин Франклин не е първият, който прави проучвания по темата с електричеството и търси зависимост между него и мълниите. Отделни учени са провеждали различни експерименти в годините преди или след това, например Тома-Франсоа Далибар и Георг Вилхелм Рихман, но ничии изводи не са били толкова категорични и обосновани. Заслужава си обаче да споменем приноса на Стефан Грей, който пръв открива свойството на металните жици да провеждат статично електричество.
Основното постижение на Бенджамин Франклин е, че с откритието си дава начало на промяна в нагласите. Масите вече са склонни да приемат електрическия заряд като по-евтина и най важното безопасна алтернатива на газта и горивата, които са значително по-склонни към възпламеняване и ограничени като ресурс.
Принос към дефинирането на природата на електричеството
В началото на XIX век учени като Алесандро Волта и Андре-Мари Ампер допринасят по уникален начин за изследването на електричеството и конкретизиране начина, по който то функционира. Именно Волта е човекът, който открива величината електрическо напрежение и изобретява първата батерия.
Волта, Ампер и Ом са в основата на формирането на основната теоретична зависимост в електричеството, а именно взаимовръзката между величините големина, напрежение и съпротивление, позната като Закона на Ом, носеща името на откривателя си. Впоследствие тя служи като база за осъществяване на най-популярните електротехнически изчисления, както и за една от най-ключовите взаимозависимости като цяло - Закона на Кирхоф .
Стъпка напред - Фарадей и електрическия двигател
Следващият значим етап в славната история на електричеството настъпва около 1831 година, когато небезизвестният изобретател Майкъл Фарадей осъзнава, че електрически ток може да бъде генериран и чрез движението на магнит около медна жица.
Явлението, което днес познаваме като електромагнетизъм, е фундаментът в съвременното ни разбиране за тока и начина, по който го произвеждаме. Електроцентралите работят именно на този принцип, комбинирайки успешно магнити и медни намотки. По тази логика се ражда и електродвигателят, който трансформира електричеството в механична сила, и генераторът, който работи на обратния принцип.
Томас Едисон и електрическата крушка
Дори и да не знаете абсолютно нищо друго за появата и развитието на електричеството, със сигурност ще сте чували за Томас Едисон и прословутата му електрическа крушка, превърнала се в своеобразна метафора за величината на неговите постижения. Американският изобретател и предприемач безспорно е един от най-комплексните и гениални умове, допринесъл изключително много за масовото разпространение на тока до всеки дом и предприятие.
Благодарение на научните си познания, съчетани с изключителен нюх към изобретения за патентоване и бизнес визия, Томас Едисон изначално променя индустрията и прави електричеството достъпно за всички.
Първата крушка с нажежаема жичка светва гордо с жълта топла светлина през далечната 1879 година, за да даде началото на пълното изместване на газта и горивата като източници на енергия за бита. Въпреки че успява да издържи само около 14 часа, което от съвременна точка ни изглежда крайно недостатъчно, Едисон и съмишлениците му успяват да забележат и да доразвият огромния потенциал, който се крие в нейното крехко тяло.
Индустриализация на електричеството и достигането му до масовия потребител
Не е изненада, че именно Едисон е човекът, който пръв успява да построи електроцентрала с търговска насоченост, която е била достатъчна да захрани около 250 крушки с нажежаеми жички с мощност от по 50W. В следващите десетилетия броят на учрежденията от този тип бързо се умножил, като тенденцията се съчетала с появата на първите масови уреди като перални и хладилници.
До около 30-те години на XX век над 90% от американските градски домове биват електрифицирани, а по инициатива на президента Франклин Делано Рузвелт до около 1960 това се случва и със селските региони. Държавата дори въвежда специален административен орган, който да следи и контролира все по-глобалните електрически процеси, задавайки определени норми и стандарти за полагане на мрежите и преносът на ток.
Развиване на идеите за прав (DC) и променлив (AC) ток
Важно е да се знае, че до този момент Томас Едисон е работил само в посока комерсиализация на определен вид ток, а именно правият (постоянен) такъв, който днес познаваме с абревиатурата DC. Характеризира се с това, че при него зарядите се движат само в една посока и не обръщат поляритета си. Впоследствие обаче се оказва, че DC си има скрит “противник”, дебнещ да го измести като основен източник на електричество за масите.
Първият алтернатор в исторически план е изобретен от французина Иполит Пикси през 1835 година. Устройство използва магнитна намотка, за да произвежда променлив ток AC, чиято посока може да варира през определен интервал от време (честота). Това е и основният конкурент на DC за сърцата и мястото в домовете на обикновения човек.
Истинският иноватор в сферата на променливия ток обаче се казва Никола Тесла, който изобретява първият AC двигател. Отначало откритието му е прието с недоверие, а токът с подобен характер - като нещо изключително опасно, за което спомага и масирана информационна медийна кампания, проведена от Едисон.
Никола Тесла безспорно е гениален инженерен ум, който допринася с множество научни открития и е в основата на преобръщането на масовите нагласи и доказването на качествата на AC. Патентите и разработките му в сферата биват закупени от Джордж Уестингхаус, който води дълга и продължителна битка с Томас Едисън, за да докаже предимствата на своя продукт и да го наложи като масов стандарт.
Някъде по това време, около 1880 година, Лестър Алън Пелтон изобретява първата турбина, като успява да генерира електричество с помощта на енергия от водата. Комбинацията от това откритие и утвърждаването на променливия ток логично води до построяването на водноелектрическа централа в подножието на Ниагарския водопад, която поставя началото на масовото производство на променлив ток (AC).
След тази продължителна и свирепа битка на електрически концепции между патентодържателите на AC и DC се достига до няколко извода, които са актуални и днес. Благодарение на устройство, наречено трансформатор, AC е изключително подходящ за ефективно пренасяне на електричество с висока мощност на големи разстояния, като загубите са доста по-ниски. В допълнение, инфраструктурата, необходима за изграждане на съоръженията за пренос, е много по-икономична от алтернативата. DC остава стандарта за захранване на по-чувствителните домашни електроуреди с по-ниска енергийна консумация.
Няколко думи и за ядрената енергия
Ядрената енергия се появява на хоризонта някъде около 50-те години на XX век, като от 80-те нататък успява да навлезе окончателно на пазара и да затвърди позиции, които поддържа и към момента. Първата централа от подобен тип бива построена в Охайо, САЩ. В основата на химико-физичната природа на процеса седи ядреното делене, което освобождава заряд, но е и доста рисково по своята природа.
Алтернативни източници - бъдещето на електричеството
Най-актуалните тенденции в областта на електроснабдяването са свързани с идеята за зелена енергия и по-природосъобразен и екологичен начин на живот. Възобновяеми източници като слънчевата светлина и вятърът тепърва набират популярност, като множество съвременните правителства ги задават като приоритети в плановете си за енергийно развитие. Повече информация по темата може да прочетете в предходен текст от нашия блог тук.
Въпреки бума на популярността си към момента, алтернативните източници далеч не се появяват сега. Първата вятърна турбина, позиционирана на датските брегове, се конструира през далечната 1956 година, а първите фотоволтаични клетки се появяват три години по-късно в Япония.
Най-сериозната пречка пред по-масовото производство и въвеждане в експлоатация на системи от възобновяем тип към момента си остава високата цена, съчетана с немалка доза зависимост от конкретния ресурс като светлина или вятър.
Преоткриване на DC
Докато в първия рунд на битката между токовете моралният победител е AC, то към днешна дата можем смело да заключим, че DC уверено набира скорост за ответен удар. Чрез него се захранват широко разпространени съвременни уреди като LED осветителни тела и компютри. Електрическите автомобили са друго модерно изобретение, което функционира чрез DC и повишава търсенето на този тип захранване.
В заключение, съвременните инженери изследват алтернатива за пренос на DC ток на далечни разстояния, която е по-икономична от познатата ни такава. DC трансформатори от ново поколение са в състояние да превключват от много ниско към високо напрежение по примера на AC.
Какво предстои
Динамичното развитие на технологиите и науката ни кара да вярваме, че няма невъзможни неща с областта на електричеството. Тенденциите са за цялостното прекратяване на употребата на горива и полезни изкопаеми като източници на енергия, които вредят на околната среда и на всичкото отгоре са ограничени откъм количество.
Ако се чудите докъде точно човечеството е готово да стигне в опитите си за енергийна независимост, имаме точно две думи за вас - ядрен синтез. Това е вид ядрена реакция, при която две или повече атомни ядра се сливат, образувайки по-тежко ядро, което е съпроводено от освобождаване или поглъщане на енергия. При нея може да бъде произведен заряд без абсолютно никакви вредни емисии или радиоактивни отпадъци, който е практически неограничен.
В термоядрения синтез се използват главно два изотопа на водорода - деутерий и тритий. Първият се съдържа във океаните на Земята, а вторият може да се получи изкуствено при реакция на литий. За успешното протичане на процеса обаче се изискват специфични условия като наличие на температура над 100°С и много високо налягане, които са трудно постижими и са характерни по-скоро за планета като Слънцето, а не Земята. Друг недостатък, който не е преодолян към днешна дата е и как да се генерира повече енергия, отколкото се поглъща при осъществяването на самата химична реакция.
Въпреки всичко нагласите са оптимистични, като се очаква до около 2035 година да има разработен начин за успешно протичане на синтеза, а до около 2070 - да се внедри официално като алтернативен източник.