Да будет свет: 9 фактов об электричестве, которые стоит узнать в День энергетика

22 декабря в России отмечается День энергетика — профессиональный праздник людей, которые делают доступным одно из самых фундаментальных благ современной цивилизации — электричество. О том, откуда оно берется, почему напряжение в бытовой электросети составляет 220 вольт, почему у живущих возле ЛЭП может болеть голова и сколько энергии генерирует наш организм, Vokrugsveta.ru рассказали ученые из Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ).

Природа электричества и его производство

Что такое электричество?

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 (ЛЭП), которые соединяют источники и приемники тока. Высоковольтные линии бывают воздушными (с проводами на опорах) и кабельными — проложенными под землей, — поясняет старший преподаватель кафедры микропроцессорных средств автоматизации Пермского Политеха Иван Калинин.

На сегодняшний день линии электропередачи — это наиболее эффективный способ передачи энергии, поскольку размещение электростанций непосредственно у потребителей или использование накопителей для транспортировки энергии экономически невыгодно.

Есть ли у электричества масса?

— 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, — рассказывает Иван Калинин.

Где рождается электроэнергия?

На традиционных электростанциях основным элементом, вырабатывающим энергию, является генератор. Он вращается за счет турбины, которая в свою очередь приводится в действие энергоносителем.

Кроме традиционных, существуют и другие виды электростанций, например, ветровые — в них генератор приводится в действие за счет вращения лопастей под воздействием ветра. В солнечных электростанциях движущиеся части отсутствуют — вместо них специальные панели преобразуют энергию солнца непосредственно в электрическую. Менее распространены электростанции использующие альтернативные виды энергоносителей: тепло недр Земли (геотермальные станции), а также энергию приливов и морских волн.

Может ли человечество остаться без электричества?

Даже если «традиционная» энергетика, основанная на сжигании полезных ископаемых, уйдет в прошлое, когда иссякнут запасы нефти, газа и угля, 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 светлое энергетическое будущее, — считает Иван Калинин.

Электричество в быту

Почему напряжение в бытовых розетках составляет именно 220 вольт?

В толстом электрическом кабеле, который подходит к городскому дому, напряжение составляет 380 вольт, а в розетке — 220 вольт. Куда же деваются еще 160?

— В нашей стране электричество передается по трехфазной системе переменного тока. То есть для передачи энергии от ближайших подстанций к нашим домам используются 4 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.

Почему гудят высоковольтные провода?

По словам эксперта, причин возникновения шума, который издают высоковольтные линии электропередачи 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.

Опасно ли для здоровья жить возле высоковольтной линии электропередачи?

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 электропередачи устанавливается так называемая охранная зона — расстояние по горизонтали от крайних проводов, на котором запрещено строительство жилых домов. При напряжении менее 1000 вольт оно составляет 2 м, при 6-10 кВ — 10 м, 35 кВ — 15 м, а 110 кВ — 20 м, — объясняет Иван Калинин.

Тем, кто хочет убедиться в безопасности своего жилища, рекомендуется обратиться к специалистам для проведения замеров. Однако в большинстве случаев дома возводят за пределами охранной зоны ЛЭП.

Электричество в организме

Какую роль электричество играет в работе нашего организма?

Электричество в бытовой сети — это энергия, которая питает наши устройства, а в человеческом теле оно играет роль сигнальной системы, подобно проводам в компьютере, передающим информацию. Все клетки нашего тела имеют электрический заряд. Это связано с движением ионов (заряженных частиц) через клеточную мембрану. Ионы натрия, калия и кальция 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, — рассказывает Вадим Шарифулин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной физики Пермского Политеха.

В организме человека электричество 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.

Сколько электричества вырабатывает человеческий мозг?

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, — объясняет Вадим Шарифулин.