22 декабря Россия отмечает День энергетика — праздник, посвященный тем, кто делает доступным одно из самых фундаментальных благ современной цивилизации — электричество. Ученые Пермского Политеха рассказали, откуда оно берется и почему «гудит», как птицам удается сидеть на высоковольтных проводах и что будет с человеком, если он живет слишком близко к ЛЭП, почему в розетке 220 вольт, как течет энергия по нашему организму и сколько понадобится мозгу, чтобы зажечь светодиод.
В ПНИПУ рассказали, как электричество «живет» в нас и наших домах / © Levi Meir Clancy, Unsplash
Электричество представляет собой форму энергии, которая возникает из-за наличия зарядов, их движения и взаимодействия. Статическое электричество создается неподвижными зарядами, а движущиеся образуют электрический ток. Он может быть постоянным с неизменным направлением и величиной или переменным, когда направление меняется с определенной частотой – 50 Гц (50 раз в секунду).
— В электросетях преобладает переменный ток, а в электронных устройствах — постоянный. Для передачи энергии от электростанций к потребителям служат линии электропередачи, которые соединяют источники и приемники тока. Высоковольтные линии бывают воздушными (с проводами на опорах) и кабельными – проложенными под землей, — поясняет Иван Калинин, старший преподаватель кафедры микропроцессорных средств автоматизации Пермского Политеха.
Линии электропередач сегодня — это наиболее эффективный способ передачи энергии, поскольку размещение электростанций непосредственно у потребителей или использование накопителей для транспортировки энергии экономически невыгодно.
— На самом деле, если сравнить массу нейтрального (незаряженного) и заряженного тела, то они будут отличаться. Тело, получив заряженные частицы, становится тяжелее, а потеряв их — легче. Однако эта разница крайне мала, и в повседневной жизни мы пренебрегаем ею, считая массы одинаковыми. Различие заметно только при сверхточных измерениях в лабораториях. В обычной практике оно не имеет значения, — говорит эксперт Пермского Политеха.
На традиционных электростанциях основным элементом, вырабатывающим энергию, является генератор. Он вращается за счет турбины, которая в свою очередь приводится в действие энергоносителем.
— Причем энергоносителем, например, на ТЭЦ и ГРЭС становится перегретый пар, получаемый в водяных котлах при сжигании топлива – природного газа, угля, мазута. На атомных электростанциях тоже он, но способ получения уже обусловлен выделением большого количества тепла при ядерных реакциях. В гидроэлектростанциях (ГЭС) энергоносителем является движущийся поток воды, — поясняет Иван Калинин, старший преподаватель кафедры микропроцессорных средств автоматизации Пермского Политеха.
Кроме традиционных, существуют и другие виды электростанций, например, ветровые – в них генератор приводят в действие вращением лопастей с помощью потоков ветра. В солнечных электростанциях движущиеся части отсутствуют – вместо них специальные панели преобразуют энергию солнца непосредственно в электрическую. К менее распространенным типам относят те, что используют альтернативные виды энергоносителей, например, тепло недр Земли (геотермальные), энергию приливов и волн.
Безопасным уровнем электрического поля для людей, живущих рядом с высоковольтными линиями, считается не более 1 киловольта на метр. Если уровень поля выше и человек долго находится в этой зоне, то это может привести к проблемам со здоровьем. Появляются головокружения, головные боли, нарушения сердечного ритма и другие неприятные симптомы.
— Именно по этим причинам у всех линий электропередач устанавливается так называемая охранная зона – расстояние по горизонтали от крайних проводов, в которых запрещено строительство жилых домов. При напряжении менее 1000 вольт она составляет два метра, при 6-10 кВ – 10 метров, 35 кВ – 15, а 110 кВ – 20 метров, — отмечает Иван Калинин.
Тем, кто хочет убедиться в безопасности своего жилища, рекомендуется обратиться к специалистам для проведения замеров. Однако в большинстве случаев достаточно убедиться, что дом не находится в охранной зоне ЛЭП.
По словам эксперта, причин возникновения шума, который издают высоковольтные линии электропередач и трансформаторные подстанции, на самом деле не так уж и много. Основная – влияние переменного магнитного поля, которое возникает из-за протекания электрического тока частотой 50 Гц, в результате чего появляется вибрация проводящих частей.
— В трансформаторах такое явление даже имеет свое название – магнитострикция. «В ряде случаев, шум высоковольтных линий может возникать из-за коронных разрядов вблизи поверхности проводов, как правило, он сопровождается слабым треском и особенно хорошо различимым при высокой влажности воздуха у линий электропередач напряжением 110 кВ и выше», — говорит эксперт Пермского Политеха.
Электрический ток начинает протекать при соединении заряженного (фазного) проводника и незаряженного (фаза 0) или при соединении двух проводов разных фаз.
— Для того чтобы птицу ударило током, она должна одновременно коснуться фазного провода и какой-либо заземленной детали, например, металлической опоры, чего обычно не происходит по причине относительно небольших размеров. Однако случаи травмирования птиц на объектах электроэнергетики все же бывают, как правило, с крупными особями, — поясняет Иван Калинин, старший преподаватель кафедры микропроцессорных средств автоматизации Пермского Политеха.
Для защиты птиц от поражения электрическим током на пути массовой миграции, как правило, устанавливают специальные устройства, мешающие птицам садиться на наиболее опасные элементы опор.
В розетке напряжение 220 вольт, но в толстом электрическом кабеле, который подходит к городскому дому, показатель составляет 380 вольт. Эксперт утверждает, что оставшиеся 160 никуда не исчезают.
— В нашей стране электричество передается по трехфазной системе переменного тока. То есть для передачи энергии от ближайших подстанций к нашим домам используются четыре провода: три «фазных» и один «нейтральный». Если вы измерите напряжение между любыми двумя «фазными» проводами, то получите 380 вольт — это называется линейным напряжением. А если сделать это между любым «фазным» проводом и «нейтральным», то получите 220 вольт. Именно их мы используем в розетках дома. Система устроена так, чтобы передавать много энергии, но при этом делать ее безопасной для использования, — говорит Иван Калинин.
Даже если «традиционная» энергия, получаемая из ископаемых, уйдет в прошлое или все нефтяные скважины, газовые залежи и угольные шахты иссякнут, человечество не останется без света.
— У нас есть мощный арсенал возобновляемых источников — от огромных плотин гидроэлектростанций, сдерживающих мощь рек, до бескрайних полей солнечных панелей и изящных ветряных турбин, рассекающих небо. Эти технологии, бурно развивающиеся в последние годы, уже сегодня доказывают свою эффективность и дают нам надежду на энергетическое будущее даже без угля, газа и нефти, — говорит эксперт Пермского Политеха.
Электричество в человеческом теле играет роль сигнальной системы, подобно проводам в компьютере, передающим информацию. А электричество в бытовой сети — это энергия, которая питает наши устройства. Все клетки нашего тела имеют электрический заряд. Это связано с движением ионов (заряженных частиц) через клеточную мембрану. Эти ионы, такие как натрий, калий и кальций, создают электрическое напряжение между внутренней и внешней сторонами клетки.
— Нервные клетки (нейроны) используют электрические импульсы для передачи информации по всему телу, которые создаются быстрым изменением электрического заряда на клеточной мембране. Так мозг, нервы и все органы обмениваются информацией с помощью электричества, — поясняет Вадим Шарифулин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной физики Пермского Политеха.
В организме человека оно генерируется и циркулирует в нескольких ключевых органах. Например, кардиомиоциты, клетки сердечной мышцы диаметром 10–15 мкм, создают электрические сигналы, которые контролируют сердечный ритм. Скелетные и гладкие мышцы используют их для сокращения.
— Электрические сигналы передаются от рецепторов (кожи и глаз) к нервной системе и от нее к мышцам или железам для осуществления реакции. Скорость их передачи варьируется от одного до 120 метров в секунду и зависит от температуры тела, типа нервного волокна и миелинизации – процесса образования билипидного слоя вокруг отростка нервной клетки, который обеспечивает в дальнейшем быструю передачу информации, необходимую для когнитивной, поведенческой, эмоциональной функций. Нервная система передает элеткроимпульсы по всему телу, обеспечивая координацию деятельности всех органов и систем, — рассказывает Вадим Шарифулин.
Мозг использует нейроны, которые генерируют электрические импульсы благодаря изменениям в мембранном потенциале. Его электрическую активность можно измерить с помощью электроэнцефалографии.
— Мозг вырабатывает очень мало электричества в микровольтах или милливольтах. Точное количество трудно определить, но его недостаточно даже для питания маленькой лампочки. Условно говоря, если бы мы могли собрать и использовать всю энергию мозга за 24 часа, ее хватило бы, возможно, на несколько секунд мигания светодиода, — сообщает Вадим Шарифулин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной физики Пермского Политеха.
