404 Страница не найдена
|
в.Кто изобрел электричество? | New-Science.
ruБенджамин Франклин получает все заслуги в открытии электричества, но все, что он сделал, это установил связь между молнией и электричеством. Шарль Франсуа Дюфе, Луиджи Гальвани, Алессандро Вольта, Майкл Фарадей, Томас Алва Эдисон и Никола Тесла внесли значительный вклад в развитие и коммерциализацию электричества.
Электричество повсюду вокруг нас: светильники, вентиляторы, компьютеры, мобильные телефоны и бесчисленное множество других устройств. В современном мире от этого практически невозможно убежать. Даже пытаясь убежать от электричества, вы найдете его по всей природе, от синапсов внутри человеческого тела до молнии во время грозы.
Но знаете ли вы, кто открыл электричество? Вообще-то, это довольно сложный вопрос. Большинство людей отдают должное только одному человеку (Бенджамину Франклину), что вроде как несправедливо.
Многие другие ученые использовали эксперименты Франклина для изучения электричества, и некоторые из них смогли изобрести различные формы электричества.
Давайте копнем глубже и выясним, кто были эти ученые и каков их вклад.
Электричество 2600 лет назад
Один из инструментов, обнаруженных в археологических раскопках близ Багдада, напоминает электрохимическую ячейкуПримерно в 600 году до нашей эры греческий математик Фалес Милетский обнаружил, что трение меха о Янтарь вызывает притяжение между ними. Более поздние наблюдения доказали, что это притяжение было вызвано дисбалансом электрических зарядов, который называется статическим электричеством.
Археологи также обнаружили доказательства того, что древние люди могли экспериментировать с электричеством. В 1936 году они нашли глиняный горшок с железным прутом и медной пластиной. Он похож на электрохимический (гальванический) элемент.
Неясно, для чего использовался этот инструмент, но он пролил некоторый свет на тот факт, что древние люди, возможно, изучали ранние формы батарей задолго до того, как мы это знаем.
Томас Браун использовал слово «электричество» в 1646 году
Версориум ГилбертаВ 1600 году английский физик Уильям Гилберт написал книгу под названием De Magnete, в которой он объяснил, как статическое электричество генерируется трением янтаря.
Однако он не понимал, что электрический заряд универсален для всех материалов.
Поскольку Гилберт изучал статическое электричество с помощью янтаря, а янтарь по-гречески называют «Электрум», он решил назвать его действие электрической силой. Он также изобрел электроскоп (известный как «versorium» Гилберта) для обнаружения присутствия электрического заряда на теле.
Работа Гилберта дала начало английскому слову «electricity», которое впервые появилось во втором выпуске научного журнала Pseudodoxia Epidemica , написанного сэром Томасом Брауном в 1946 году.
Шарль Франсуа Дюфе открыл типы электрических зарядов
Дальнейшие исследования проводились многими учеными. Отто фон Герике, например, изобрел примитивную форму фрикционной электрической машины в 1663 году. Стивен Грей различал проводимость и изоляцию и открыл явление, называемое электростатической индукцией, в 1729 году.
Один из основных вкладов начала 17 века сделал французский химик Шарль Франсуа Дюфе. Он открыл два типа электричества: стекловидное и смолистое (которое в настоящее время известно как положительный и отрицательный заряд соответственно).
Он также обнаружил, что объекты с одинаковым зарядом притягиваются друг к другу, а объекты с противоположным зарядом отталкиваются. Он также прояснил некоторые популярные заблуждения того времени, например, что электрические свойства объекта зависят от его цвета.
Бенджамин Франклин доказал, что молния имеет электрическую природу
В середине XVIII века Бенджамин Франклин широко изучал и проводил многочисленные эксперименты, чтобы понять электричество. В 1748 году он построил электрическую батарею, поместив несколько стеклянных листов, зажатых между свинцовыми пластинами. Он также открыл принцип сохранения заряда.
В июне 1752 года Франклин провел знаменитый эксперимент, чтобы доказать, что молния — это электричество. Он прикрепил металлический ключ к нижней части смоченной веревки воздушного змея и запустил змея во время грозы. Он был осторожен, стоя на изоляторе, чтобы избежать удара током.
Как он и ожидал, змей собрал немного электрического заряда из грозовых облаков, который затем потек по веревке, сотрясая его.
Этот эксперимент доказал, что молния действительно была электрической по своей природе.
Луиджи Гальвани открыл биоэлектромагнетизм в 1780-х годах
Итальянский физик и биолог был пионером биоэлектромагнетизма. В 1780 году он провел несколько экспериментов на лягушках и обнаружил, что электричество является средой, через которую нейроны передают сигналы мышцам.
Алессандро Вольта изобрел электрическую батарею в 1800 году
Другой итальянский физик по имени Алессандро Вольта обнаружил, что некоторые химические реакции могут производить постоянный электрический ток. Он построил электрическую батарею, для производства непрерывного потока электрического заряда. Она была сделана из чередующихся слоев меди и цинка.
Вольта также различал электрический потенциал (V) и заряд (Q), описывая, что они пропорциональны для данного объекта. Это то, что мы называем законом емкости Вольта. За эту работу единица измерения электрического потенциала SI (вольт) была названа в его честь.
Исследования, проведенные Вольтом, привлекли большое внимание и побудили других ученых провести аналогичные исследования, что в конечном итоге привело к развитию нового раздела физической химии, называемого электрохимией.
Немецкий физик Георг Симон Ом дополнительно изучил электрохимическую ячейку Вольта и обнаружил, что электрический ток прямо пропорционален напряжению (разности потенциалов), приложенному к проводнику. Эта связь называется законом Ома.
Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электричество создает магнитные поля
Ханс Кристиан ЭрстедВ начале 19 века датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил прямую связь между электричеством и магнетизмом. В 1820 году он опубликовал свои открытия, описывая, как стрелка компаса может отклоняться под действием электрического тока.
Работы Эрстеда вдохновили французского физика Андре-Мари Ампера на разработку физико-математической теории, которая могла бы лучше объяснить связь между электричеством и магнетизмом.
Он сформировал математическую формулу для представления магнитных сил между объектами, несущими ток. Для этой работы в его честь была названа единица измерения электрического тока (ампер).
В 1820-х годах Ампер изобрел многочисленные приборы, в том числе электромагнит (электромагнит, создающий управляемое магнитное поле) и электрический телеграф (система обмена текстовыми сообщениями «точка-точка»).
Майкл Фарадей сделал электричество практичным для использования в технологиях
Майкл Фарадей, около 70 летМайкл Фарадей заложил основы концепции электромагнитного поля. Он обнаружил, что на световые лучи может влиять магнетизм. Он изобрел электромагнитные вращательные устройства, которые легли в основу технологии электродвигателей.
В 1831 году Фарадей разработал электрическую динамомашину-машину, которая могла непрерывно преобразовывать вращательную механическую энергию в электрическую, что сделало возможным производство электричества.
В 1832 году Фарадей провел серию экспериментов по исследованию поведения электричества.
Он пришел к выводу, что категоризация различных «типов» электричества была иллюзорной. Вместо этого он предложил, что существует только один «тип» электричества, и изменение таких параметров, как ток и напряжение (количество и интенсивность), приведет к созданию различных групп явлений.
Джеймс Клерк Максвелл сформулировал теорию электромагнитного излучения
В 1873 году шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл начал разрабатывать уравнения, которые могли бы точно описать электромагнитное поле. Он предположил, что электрические и магнитные поля движутся как волны со скоростью света.
Генрих Рудольф Герц окончательно доказал эту теорию, и Гульельмо Маркони использовал эти волны для разработки радио.
Томас Эдисон коммерциализировал электричество
В 1879 году Томас Альва Эдисон изобрел практичную лампочку, которая прослужит долго, прежде чем перегореть. Его следующей задачей была разработка электрической системы, которая могла бы обеспечить людей реальным источником энергии для питания этих ламп.
В 1882 году он построил первую электростанцию в Лондоне, чтобы вырабатывать электроэнергию и переносить ее в дома людей. Несколько месяцев спустя он создал еще одну электростанцию в Нью-Йорке для обеспечения электрическим освещением нижней части острова Манхэттен. Около 85 потребителей получили достаточно энергии, чтобы зажечь 5000 ламп.
На заводе использовались возвратно-поступательные паровые двигатели для включения генераторов постоянного тока. Но так как это было распределение постоянного тока, зона обслуживания была ограничена падением напряжения в фидерах.
Никола Тесла изобрел переменный ток
Поворотный момент в электрической эре наступил через несколько лет, когда Никола Тесла приехал в Нью-Йорк, чтобы работать на Эдисона. Он покинул Edison Machine Works через шесть месяцев из-за невыплаченных бонусов, которые, по его мнению, он заработал.
Вскоре после ухода из компании Тесла обнаружил новый тип двигателя переменного тока и технологию передачи электроэнергии.
Он объединился с Джорджем Вестингаузом, чтобы запатентовать систему переменного тока, чтобы обеспечить страну электроэнергией высочайшего качества.
Энергетическая система, изобретенная Теслой, быстро распространилась в США и Европе благодаря своим преимуществам в дальней высоковольтной передаче. Первая гидроэлектростанция Теслы в Ниагарском водопаде могла транспортировать электроэнергию более чем на 200 квадратных миль. В отличие от этого, эдисоновская электростанция постоянного тока могла транспортировать электричество только в пределах одной мили.
Сегодня переменный ток вырабатывается большинством электростанций и используется почти всеми системами распределения электроэнергии. Общее мировое валовое производство электроэнергии в 2019 году составило 27 644 ТВтч.
Генрих Рудольф Герц наблюдал фотоэлектрический эффект в 1887 году
Генрих Рудольф ГерцПока Тесла был занят изобретением и распределением переменного тока, Генрих Герц проводил серию экспериментов по пониманию электромагнитных волн.
В 1887 году он наблюдал фотоэлектрический эффект, явление, при котором электроны испускаются, когда электромагнитное излучение (например, свет) попадает на материал.
В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал «закон фотоэлектрических эффектов», выдвинув гипотезу о том, что световая энергия переносится дискретными квантованными пакетами. Это был решающий шаг в развитии квантовой механики. За эту работу Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике 1921 года.
Фотоэлектрический эффект используется в фотоэлементах, обычно встречающихся в солнечных батареях. Эти фотоэлементы вырабатывают напряжение и подают электрический ток, когда на них светит солнечный свет (или свет с определенной длиной волны).
К концу 2019 года во всем мире было установлено в общей сложности 629 гигаватт солнечной энергии. Это число будет увеличиваться в ближайшие годы, поскольку многие страны и территории переходят на возобновляемые источники энергии, чтобы уменьшить воздействие производства электроэнергии на окружающую среду.
И поэтому было бы неправильно отдать должное только одному человеку за то, что он открыл для себя электричество. В то время как идея электричества существовала тысячи лет, когда пришло время ее научного и коммерческого изучения, несколько великих умов работали над различными подмножествами этой проблемы.
Производство электроэнергии
Подробнее в этом разделе
Сколько способов вы использовали электричество сегодня?
Рабочие устанавливают гигантское рабочее колесо турбины на электростанции Вускватим.
Увеличить картинку: Рабочие в касках опускают на место огромную турбину.
В современном мире электричество является неотъемлемой частью повседневной жизни. На самом деле, наверное, невозможно сосчитать все способы, которыми мы используем электричество. С того момента, как мы просыпаемся, мы используем электричество, чтобы поджарить хлеб, послушать радио или охладить апельсиновый сок. Электричество питает свет в классах и офисах, где мы работаем.
Одежда, которую мы носим, даже автомобили, на которых мы ездим, сделаны машинами, использующими электричество.
Наверх
Откуда берется электричество?
Чтобы увидеть, откуда берется электричество, достаточно заглянуть внутрь алюминиевого провода. Проблема в том, что то, что мы ищем, слишком мало, чтобы его увидеть. Но если бы вы могли заглянуть за защитное покрытие, за блестящую поверхность алюминиевой проволоки, вы бы увидели, что проволока состоит из мельчайших частиц. Это атомы, основные строительные блоки, из которых сделано все во Вселенной.
Если бы вы могли внимательно посмотреть на атом, вы бы увидели, что сам атом состоит из еще более мелких частиц. Некоторые из этих частиц называются электронами. Обычно электроны вращаются вокруг центра или ядра атома. Однако иногда электроны выбиваются с внешней орбиты атома. Эти электроны становятся «свободными» электронами.
Все материалы обычно имеют свободные электроны, способные перемещаться от атома к атому.
Некоторые материалы, например металлы, содержат большое количество свободных электронов и называются проводниками. Проводники способны проводить электрический ток. Другие материалы, такие как дерево или резина, имеют мало свободных электронов и называются изоляторами.
Если можно заставить свободные электроны в проводнике прыгать в одном и том же направлении в одно и то же время, то возникает поток или ток электронов. Это электрический ток. В наэлектризованном проводе свободные электроны прыгают между атомами, создавая электрический ток от одного конца к другому. Но как могут электроны прыгать в одном и том же направлении одновременно? С помощью магнитов.
Конец каждого магнита окружают невидимые силовые линии, называемые магнитными полями. Если вы проведете прямой провод через магнитное поле, сила будет толкать свободные электроны от одного атома к другому, создавая электрический ток. Если быстро и непрерывно перемещать несколько витков проволоки через поле мощного магнита, можно произвести большое количество электрического тока.
Наверх
Как Manitoba Hydro производит электроэнергию?
Поперечный разрез водозабора электростанции Long Spruce и электростанции.
Увеличить изображение: Приемная часть электростанции Long Spruce и электростанция (вид в разрезе).
Мы используем машины, называемые генераторами, для производства электроэнергии. В генераторе огромный электромагнит, или ротор, вращается внутри цилиндра, называемого статором, содержащего катушки и витки электрических проводов. Некоторые роторы имеют диаметр 12 метров и весят как 8 железнодорожных вагонов, то есть почти 380 тонн. Для вращения чего-то такого размера требуется много энергии. Manitoba Hydro использует обильные запасы воды в провинции.
Электроэнергия, вырабатываемая с использованием энергии воды, называется гидроэлектроэнергией. Гидроэлектростанция использует естественную силу реки в качестве энергии. Тот же поток воды или течение, которое толкает плавучее каноэ по реке, может также вращать ротор генератора.
Как правило, генераторная станция состоит из 2 компонентов. Электростанция, в которой находятся генераторы и водосброс, который позволяет любой неиспользуемой воде обходить электростанцию.
В основе гидроэлектростанции лежит рабочее колесо турбины. Похожие на гигантский пропеллер, некоторые рабочие колеса турбины имеют диаметр почти 8 метров. Прикрепленный к ротору 5-метровым валом, рабочий орган турбины преобразует физическую энергию воды в механическую энергию, приводящую в движение генератор.
Вода поступает в электростанцию станции через водозабор и попадает в корпус прокрутки. Спиральный корпус представляет собой спиральную область, окружающую турбину. Спиральная форма придает поступающей воде спиральное движение, толкающее лопасти турбины. Когда турбина вращается, прикрепленный к ней ротор также вращается, вырабатывая электричество. Потенциальная энергия реки преобразуется в механическую энергию генератора, вырабатывающего электрическую энергию. Только 1 из 10 генераторов электростанции Limestone может производить 133 миллиона ватт или 133 мегаватта электроэнергии.
Когда естественный сток реки достаточен, строится русловая электростанция. Русловая конструкция снижает потребность в большом резервуаре с водой или форзаливе за станцией. Вместо этого вода, поступающая в генерирующую станцию вверх по течению, используется немедленно, а не сохраняется для последующего использования. Генераторная станция из известняка, расположенная на реке Нельсон, является примером русловой конструкции.
Когда естественный сток воды непостоянен или недостаточен, строится более разветвленная сеть плотин, чтобы создать большой форзалив, чтобы обеспечить периоды, когда уровень воды в реке низкий. Плотина также создает напор воды или водопад, чтобы вода имела достаточную силу для вращения турбин. Генераторная станция Гранд-Рапидс на реке Саскачеван является примером станции, использующей водохранилище.
Наверх
Трансмиссия
Когда вы подключаете тостер или стереосистему к сетевой розетке, электричество мгновенно появляется, чтобы поджарить хлеб или включить музыку.
Но задумывались ли вы когда-нибудь, как электричество попадает от гидроэлектростанции к розетке в вашей стене? Для ответа нам нужно еще раз взглянуть на эти электроны в нашей алюминиевой проволоке.
Помните, что магниты, проходящие по проводу или витку провода, выталкивают электроны, заставляя их прыгать между атомами. Когда электроны прыгают, они передают заряд следующему атому. Когда следующий атом получает заряд, его электрон перескакивает. Магниты запускают цепную реакцию, которая движется по проводу. Электрическая энергия проходит по проводу, потому что алюминий является проводником — он проводит электричество. Manitoba Hydro имеет разветвленную систему проводов различного сечения, которые проводят электричество по всей провинции и к вашему дому. Но это только часть ответа.
В Манитобе почти 70% электроэнергии производится гидроэлектростанциями на реке Нельсон в северной части Манитобы. Таким образом, мы должны передавать генерируемую ею возобновляемую гидроэлектроэнергию примерно на 1000 км в южную часть Манитобы, где живет и работает большинство людей и где расположено большинство предприятий.
Но электричество не может легко передаваться на большие расстояния. Ему нужна помощь.
Manitoba Hydro использует технологию постоянного тока высокого напряжения (HVDC) для более эффективной передачи электроэнергии с севера. Постоянный ток (DC) — это электрический ток, который течет только в одном направлении. Это тип энергии, производимой батареями, используемыми в камерах, фонариках и автомобилях. Электричество в вашем доме представляет собой переменный ток (AC), электрический ток, который меняет направление примерно 60 раз в секунду. Преимущество постоянного тока в том, что потери мощности на больших расстояниях значительно меньше, чем при переменном токе.
Более высокое напряжение используется с трансмиссией DC для увеличения передачи энергии и снижения потерь. Чтобы объяснить почему, давайте сравним электричество, протекающее по проводу, и воду, протекающую по трубе. Точно так же, как большое количество воды может быть перемещено по трубе большого диаметра, большое количество электричества может быть перемещено по проводу большого диаметра.
Большое количество воды также можно перекачивать по трубе небольшого диаметра, такой как садовый шланг, за счет увеличения давления. Точно так же электричество можно передавать в больших количествах по проводу малого диаметра, увеличивая напряжение.
Мы построили 3 линии электропередачи HVDC , известные как Bipole I, Bipole II и Bipole III, для подачи электроэнергии с севера. В вашем доме электричество, которое вы используете, имеет 120 вольт переменного тока силы. Электричество, проходящее по линиям постоянного тока высокого напряжения, имеет напряжение 500 000 вольт или 500 кВ силы.
Допустим, электричество в вашем доме имеет такую же силу, как бейсбольный мяч, брошенный в вас со скоростью 100 км/ч. Сила электричества на линии HVDC будет более чем в 4000 раз выше.
Гидроэлектростанции производят переменного тока электроэнергии мощностью около 25 кВ силы.
Он должен быть преобразован в DC и передан с еще более высоким напряжением, чтобы уменьшить потери мощности на больших расстояниях. Это преобразование выполняется на преобразовательных станциях Henday, Radisson и Keewatinohk, расположенных недалеко от Гиллама, Манитоба.
После преобразования электроэнергии из переменного тока в постоянного тока она направляется на юг к преобразовательным станциям Дорси и Риэль за пределами Виннипега. В Dorsey and Riel электричество преобразуется обратно в переменный ток для доставки в ваш дом, поскольку холодильники, телевизоры, компьютеры и другие приборы работают от переменного тока. Из Дорси и Риэля линии электропередачи переменного тока снабжают энергией другие районы южной Манитобы, а также северные штаты США, Саскачеван и северо-запад Онтарио.
Высоковольтные линии AC передают электроэнергию на подстанции, расположенные по всей провинции.
Эти подстанции содержат оборудование, используемое для преобразования напряжения в более низкие уровни, включения или выключения тока в линии, а также для анализа и измерения электроэнергии.
Преобразование электроэнергии из высокого напряжения в низкое осуществляется по тому же принципу, что и генерация. Магнитное поле катушки с проводом, по которому течет переменный или флуктуирующий ток, может вызвать флуктуирующий ток во второй катушке. В трансформаторе 2 отдельных витка провода намотаны на магнитный железный сердечник. Электричество в первой катушке провода создает колебания магнитного поля железного сердечника. Затем это колебание проходит через железный сердечник, электризуя вторую катушку провода. Если во второй катушке провода вдвое меньше витков, то электричество будет иметь вдвое меньшее напряжение. Если вторая катушка имеет удвоенное число витков, то напряжение удвоится.
От подстанций электричество проходит по воздушным линиям или подземным кабелям к трансформаторам, которые завершают снижение напряжения.
Эти трансформаторы расположены в верхней части гидростолбов для воздушных линий или на уровне земли для подземных коммуникаций.
От столба электричество проходит по проводу в ваш дом, сначала к счетчику и главному выключателю. Затем провода ведут к распределительному щиту. Оттуда цепи внутри стен ведут к розеткам и светильникам.
Наверх
Электроэнергия сегодня и завтра: альтернативные источники
Тепловой
В следующий раз, когда будете кипятить воду, накройте кастрюлю крышкой. При кипении вода расширяется и превращается в пар. Давление расширяющегося пара в конце концов сотрясет или поднимет крышку. Тепловая электростанция использует эту же энергию для вращения турбин, приводящих в действие электрические генераторы. Топливом, используемым для нагрева воды, может быть уголь, нефть, природный газ или источник ядерной энергии.
Мы обслуживаем небольшую тепловую электростанцию в Брэндоне. Он используется для удовлетворения потребности в электроэнергии в периоды маловодья или для обеспечения дополнительной электроэнергии в периоды высокого спроса, особенно зимой.
В отличие от гидроэлектростанций, тепловые можно строить практически где угодно. Однако основным недостатком тепловых станций является то, что ископаемое топливо, такое как природный газ, используемый Manitoba Hydro, не является самовозобновляемым, как энергия воды.
Энергия ветра
Когда вы находитесь на улице в ветреный день, вы можете почувствовать, как ветер давит на ваше тело. Этот толчок также может вращать лопасти ветряной турбины, производящей электричество.
Хотя ветряные генераторы практичны не во всех местах, они являются хорошей идеей в тех областях, где их можно использовать, поскольку ветер, как и вода, является возобновляемым ресурсом. Однако ветрогенераторы имеют 2 основных недостатка. Во-первых, они дорогие. Во-вторых, не во всех местах есть постоянные сильные ветры.
Биомасса
Биомасса — это общий термин, используемый для описания органического или живого вещества, такого как древесина. Производство биомассы означает сжигание органического вещества, а не ископаемого топлива для производства электроэнергии.
Потенциальные виды топлива из биомассы включают отходы лесной и сельскохозяйственной промышленности. Все, от рисовой шелухи до кофейной гущи, можно было сжечь для получения пара.
Солнечная энергия
Растения способны создавать пищу из солнечного света. Этот процесс называется фотосинтезом. Слово фото означает свет, а слово синтез означает изменение. Мы также можем использовать солнечный свет для производства электричества. Панели из кремния способны преобразовывать солнечный свет в электричество с помощью фотогальванического процесса. Voltaic — другое слово для электричества.
Фотогальванические (PV) панели можно использовать для питания всего, от калькуляторов до бытовой техники в вашем доме. Одним из преимуществ солнечной энергии является то, что она не требует топлива. Фотоэлектрические панели дороги в установке и эксплуатации. Солнечная энергия в Манитобе дороже, чем наша дешевая и возобновляемая гидроэлектроэнергия, и может увеличить ваш углеродный след.
Турбина внутреннего сгорания
Если надуть игрушечный воздушный шар, а затем отпустить горлышко, воздушный шар улетит. Сила, которая толкает воздушный шар, расширяя воздух, — это та же самая сила, которая приводит в движение турбину внутреннего сгорания.
Турбина внутреннего сгорания выглядит и работает как реактивный двигатель. В турбине внутреннего сгорания топливо, такое как природный газ, смешивается со сжатым воздухом и сгорает. Газы, образующиеся при сгорании, горячие и находятся под давлением. В большинстве турбин внутреннего сгорания температура продуктов сгорания может достигать 1300°C. Сверхгорячие газы под высоким давлением выталкиваются в секцию турбины, где им позволяют расширяться и оказывать давление на лопасти вращающейся турбины, которая приводит в действие электрический генератор.
За последнее десятилетие турбины внутреннего сгорания приобрели все большее значение как вариант производства электроэнергии. На самом деле, мы эксплуатируем 2 турбины, работающие на природном газе, на электростанции Brandon.
Наверх
инженеров Массачусетского технологического института открыли совершенно новый способ производства электроэнергии
7 июня 2021 г.
Инженеры Массачусетского технологического института открыли способ генерировать электричество с помощью крошечных частиц углерода, которые могут создавать электрический ток, просто взаимодействуя с органическим растворителем, в котором они плавают. Частицы состоят из измельченных углеродных нанотрубок (синие), покрытых тефлоновым полимером (зеленые). Фото: Хосе-Луис Оливарес, Массачусетский технологический институт. На основе рисунка, предоставленного исследователями.
Сила крошечных частиц. Химические реакции
Новый материал, изготовленный из углеродных нанотрубок, может генерировать электричество, поглощая энергию из окружающей среды.
MIT
MIT — это аббревиатура Массачусетского технологического института. Это престижный частный исследовательский университет в Кембридже, штат Массачусетс, основанный в 1861 году.
Он состоит из пяти школ: архитектуры и планирования; инженерия; гуманитарные науки, искусство и социальные науки; управление; и наука. Влияние Массачусетского технологического института включает в себя множество научных прорывов и технологических достижений. Их заявленная цель — сделать мир лучше с помощью образования, исследований и инноваций.
Жидкость, органический растворитель, вытягивает электроны из частиц, генерируя ток, который можно использовать для запуска химических реакций или для питания микро- или нанороботов, говорят исследователи.
«Этот механизм является новым, и этот способ получения энергии совершенно новый, — говорит Майкл Страно, профессор химического машиностроения Carbon P.
Dubbs в Массачусетском технологическом институте. — Эта технология интригует, потому что все, что вам нужно сделать, это пропустить через растворитель». через слой этих частиц. Это позволяет вам заниматься электрохимией, но без проводов».
В новом исследовании, описывающем это явление, исследователи показали, что они могут использовать этот электрический ток для запуска реакции, известной как окисление спирта — органической химической реакции, которая важна в химической промышленности.
Страно является старшим автором статьи, которая опубликована сегодня (7 июня 2021 г.) в Nature Communications
Nature Communications — это рецензируемый междисциплинарный научный журнал с открытым доступом, издаваемый Nature Research. Он охватывает естественные науки, включая физику, биологию, химию, медицину и науки о Земле. Он начал издаваться в 2010 году и имеет редакционные офисы в Лондоне, Берлине, Нью-Йорке и Шанхае.
» data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>Nature Communications.
Ведущими авторами исследования являются аспирант Массачусетского технологического института Альберт Тяньсян. Лю и бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института Юитиро Кунай. Среди других авторов — бывший аспирант Антон Коттрилл, постдоки Амир Каплан и Хьюна Ким, аспирант Ге Чжан и недавние выпускники Массачусетского технологического института Рафид Молла и Янник Итмон.
Уникальные свойства
исследования углеродных нанотрубок — полых трубок, сделанных из решетки атомов углерода, обладающих уникальными электрическими свойствами.В 2010 г. Страно впервые продемонстрировал, что углеродные нанотрубки могут генерировать «термоэлектрические волны». Когда углеродная нанотрубка покрыта слоем топлива, движущиеся импульсы тепла или волны термоЭДС проходят вдоль трубки, создавая электрический ток.
Эта работа привела Страно и его учеников к открытию родственной особенности углеродных нанотрубок. Они обнаружили, что когда часть нанотрубки покрыта тефлоновым полимером, это создает асимметрию, которая позволяет электронам течь от покрытой к непокрытой части трубки, генерируя электрический ток.
Эти электроны можно вытянуть, погрузив частицы в растворитель, жадный до электронов.
Чтобы использовать эту особую способность, исследователи создали частицы, генерирующие электричество, путем измельчения углеродных нанотрубок и формирования из них листа материала, похожего на бумагу. Одна сторона каждого листа была покрыта тефлоновым полимером, после чего исследователи вырезали мелкие частицы, которые могут быть любой формы и размера. Для этого исследования они создали частицы размером 250 на 250 микрон.
Когда эти частицы погружаются в органический растворитель, такой как ацетонитрил, растворитель прилипает к непокрытой поверхности частиц и начинает вытягивать из них электроны.
«Растворитель забирает электроны, и система пытается уравновеситься, перемещая электроны», — говорит Страно. «Внутри нет сложной химии батареи. Это просто частица, которую вы помещаете в растворитель, и она начинает генерировать электрическое поле».
«Это исследование ловко показывает, как извлекать вездесущую (и часто незамеченную) электрическую энергию, хранящуюся в электронном материале, для электрохимического синтеза на месте», — говорит Джун Яо, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Массачусетского университета.
Амхерст, который не участвовал в исследовании. «Прелесть в том, что он указывает на общую методологию, которую можно легко расширить для использования различных материалов и приложений в различных синтетических системах».
Мощность частиц
Текущая версия частиц может генерировать около 0,7 вольт электричества на частицу. В этом исследовании исследователи также показали, что они могут образовывать массивы из сотен частиц в небольшой пробирке. Этот реактор с «уплотненным слоем» вырабатывает достаточно энергии для запуска химической реакции, называемой окислением спирта, в которой спирт превращается в альдегид или кетон. Обычно эту реакцию не проводят с помощью электрохимии, потому что для этого потребуется слишком большой внешний ток.
«Поскольку реактор с уплотненным слоем компактен, он более универсален с точки зрения применения, чем большой электрохимический реактор, — говорит Чжан. «Частицы можно сделать очень маленькими, и им не нужны никакие внешние провода для запуска электрохимической реакции».
В будущей работе Strano надеется использовать этот вид генерации энергии для создания полимеров, используя в качестве исходного материала только углекислый газ. В родственном проекте он уже создал полимеры, которые могут регенерировать себя, используя углекислый газ в качестве строительного материала в процессе, питаемом солнечной энергией. Эта работа вдохновлена фиксацией углерода, набором химических реакций, которые растения используют для создания сахаров из углекислого газа, используя энергию солнца.
В долгосрочной перспективе этот подход может также использоваться для питания микро- или нанороботов. Лаборатория Страно уже приступила к созданию роботов такого масштаба, которые однажды можно будет использовать в качестве диагностических датчиков или датчиков окружающей среды. По его словам, идея получения энергии из окружающей среды для питания таких роботов привлекательна.
«Это означает, что вам не нужно размещать на борту накопитель энергии», — говорит он.