Что бы мы ни делали, какую бы энергию ни использовали, почти всегда она происходит от света и тепла, которые приносят на нашу планету солнечные лучи. Солнце – главный источник энергии в природе. И люди, которым энергии требуется больше, чем каким-либо другим жителям Земли, получают ее почти всегда от Солнца.
Топливные тепловые электростанции производят электричество, сжигая уголь, нефть или природный газ – запасенную древними растениями энергию Солнца. А блестящие панели солнечных батарей превращают энергию света в электричество напрямую, без всякого горения.
Даже ветры, которые крутят лопасти электрических генераторов, дуют благодаря Солнцу. Ведь его свет нагревает поверхность Земли неравномерно. Где-то воздух оказывается теплее, а где-то холоднее. Это заставляет его перемешиваться и дуть то в одну, то в другую сторону. Энергию потоков воздуха улавливают большие турбины, производящие электричество.
О том, как генераторы превращают разные виды энергии в электричество, читайтениже.
Тепловые электростанции работают почти так же, как чайник кипятит воду на плите. Горение угля, нефти или газа превращает химическую энергию топлива в тепловую. Это тепло нагревает воду, превращая ее в пар. Горячий пар бьет мощной струей, которая раскручивает турбину генератора, словно ветер. Из этого вращения производится электричество.
К сожалению, из-за сгорания топлива в воздух попадает дым, сажа и много других веществ, вредных для природы и для людей. Поэтому в последние годы электростанции, сжигающие уголь и нефть, строят все реже и реже. Эти источники энергии заменяют другими, более чистыми – например, солнечными. Некоторые ученые даже хотят накрыть солнечными батареями большую часть пустыни Сахара. Такая гигантская электростанция смогла бы снабжать электричеством весь мир.
Недавно ученые поняли, как сделать солнечные батареи полупрозрачными. Часть света они пропускают, а часть улавливают для получения энергии. Если использовать такие панели вместо стекол, то электричество будут вырабатывать даже окна в доме.
На некоторых электростанциях электричество получают не от Солнца и даже не из топлива. Здесь тоже используют пар, струя которого крутит генераторы. Но для получения этого пара ничего не сжигают.
Геотермальные станции кипятят воду теплом глубоких недр нашей планеты. Там, где горячая магма подходит достаточно близко к поверхности, бурят скважины, а внутрь укладывают трубы. По ним и пускают воду, которая нагревается и запускает работу генераторов.
Государство Исландия находится на вулканическом острове, и горячая магма там подходит близко к поверхности. Поэтому большую часть электричества эта маленькая страна получает от геотермальных электростанций, которые питаются теплом земных недр.
А вот атомные электростанции получают горячий пар совсем необычным способом. В них используется особое ядерное топливо – редкие и очень тяжелые металлы, такие как уран. Уран не горит, но его частицы (ядра) настолько большие и неуклюжие, что постоянно норовят развалиться на куски. При этом высвобождается особая энергия этих частиц, которая так и называется – ядерной. Куски развалившихся частиц разлетаются в стороны на большой скорости, с большой энергией. Они и позволяют нагреть воду, а потом с ее помощью получить электричество.
Главное – держать уран под контролем: если сразу много частиц начнут делиться одновременно, они выбросят так много ядерной энергии сразу, что может произойти настоящий взрыв. Хорошо, что сегодня ученые знают, как не допускать таких аварий.
Делясь, ядра урана превращаются в ядра других химических элементов. Некоторые из них тоже неустойчивы и радиоактивны, как сам уран. Такие отходы приходится аккуратно собирать и прятать в хранилища, которые устраивают вдали от людей, иногда на большой глубине. Здесь ядерные отходы должны храниться тысячи лет, пока все опасные элементы в них не распадутся сами собой.
И газовые, и атомные, да почти любые электростанции производят ток с помощью генераторов. С английского это слово так и переводят: «производитель». Устроены генераторы довольно просто.
Если сделать рамку из металлического провода и крутить между парой магнитов, по ней начинает бежать ток. Останется лишь направить его в провода. В больших промышленных генераторах, которым надо получать как можно больше электричества, используются рамки с катушками, на которые наматывают целые километры тонких проводов, и огромные магниты. Некоторые из них весят много тонн.
Крутить такую махину довольно тяжело, и если мы хотим делать это без сжигания топлива, – например, силой ветра, – нам понадобятся очень большие лопасти. Каждый, кто был возле ветряной электростанции, удивлялся, какие они огромные! Вышки бывают размером с 50-этажный дом и даже больше! Быстро вращаясь, ветряная турбина крутит генератор, и энергия движения становится электрической. Но что за энергия у самого ветра?
В море, где ветру не мешают ни здания, ни леса, ни горы, ветры дуют сильнее и устойчивее, чем над сушей. Поэтому ветряные электростанции часто строят прямо в воде, неподалеку от берега. Башни ветряков закрепляют на дне, а ток передают на сушу по проводам, которые тянутся по дну.
Мы уже знаем, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Ее можно только превратить из одной формы в другую. Так и генератор превращает в электричество энергию своего движения.
Энергию несет все, что перемещается. Летящий камень, дующий ветер, автомобиль, проезжающий по дороге. Чтобы их разогнать, требуется энергия: солнечная подгоняет ветер, химическая энергия бензина – автомобиль. По закону сохранения она переходит в энергию движения, которую называют кинетической.
Раньше домашние приборы и инструменты работали благодаря мускульной энергии человека. Пилить дерево и даже крутить барабан стиральной машины приходилось вручную. А утюги и плиты работали от тепла угля. Сегодня все эти источники энергии заменяет электричество.
Одинаковое количество энергии можно потратить на то, чтобы слегка ускорить что-нибудь тяжелое или разогнать что-нибудь легкое, но до очень высокой скорости. Чем тяжелее предмет и чем быстрее движется, тем больше кинетической энергии он несет.
Легкая пуля весит всего несколько граммов, но когда ею стреляют из пистолета, она летит на сверхзвуковой скорости и пробивает толстую деревянную доску. Зато автомобиль такой тяжелый, что несет много кинетической энергии и при неторопливой езде. Доску он может сломать, даже если наедет на нее очень осторожно.
Вообще, автомобиль может сломать доску, даже если будет стоять на ней неподвижно. Он сомнет прочное дерево благодаря энергии, которую дает сама Земля.
Масса нашей планеты притягивает все, что находится на ней и поблизости. Подпрыгнувший мальчик обязательно приземлится, подброшенный камень упадет. Если б не было стола, чашка упала бы и разбилась – в ней словно накоплена энергия притяжения, готовая перейти в кинетическую. Эту энергию называют гравитационной. Благодаря ей самокат или велосипед ускоряется и быстро катится вниз, под горку.
Устроена она почти как кинетическая: чем больше весит предмет и чем выше его поднять, тем больше накопится гравитационной энергии. Чем выше подбросили камень, тем сильнее он ударит о землю. А можно провести вот какой эксперимент: подставьте руку под кран с водой. Чем ниже будет рука, тем сильнее будет на нее давить струя. Ведь высота, с которой падает вода, при этом больше.
Обычные качели без устали превращают гравитационную энергию в кинетическую, а потом обратно. Они взлетают вверх, замедляясь, пока на мгновение не остановятся в самой высокой точке. В этот момент вся энергия движения переходит в гравитационную и начинается падение. В нижней точке скорость качелей самая большая – они накопили кинетическую энергию, благодаря которой начинают новый взлет.
Потоки воды огромной силы раскручивают тяжелые и мощные генераторы водных станций, или гидроэлектростанций – для краткости их называют ГЭС. Строители перегораживают плотинами целые реки, и те разливаются широкими искусственными морями – водохранилищами.
Можно сказать, что хранится в них не вода, а сила огромной массы жидкости, которая стремится течь дальше, вниз. Как аккумуляторы накапливают химическую энергию, так водохранилища – гравитационную.
Если проделать в плотине отверстие, эта энергия начнет переходить в движение воды. Словно из гигантского крана, вода хлынет мощным потоком, от которого легко раскрутится даже самый тяжелый электрический генератор. Так ГЭС накапливает гравитационную энергию, превращает ее в кинетическую, а затем получает самую нужную и полезную – электрическую.
Водохранилища некоторых ГЭС так велики, что их называют искусственными морями. Там, где река перегорожена плотиной, они разливаются, затапливая все вокруг. Много старинных поселений и даже городов из-за этого оказываются сегодня под водой. Например, перед строительством на Волге Куйбышевского водохранилища – третьего по площади в мире – пришлось переселить 150 тысяч человек, которые жили на его месте.
Генераторы позволяют получать электричество из кинетической энергии своего вращения. Чтобы раскрутить генераторы, разные электростанции используют разные силы: ветер, поток воды или мощную струю пара.
Заимствуя энергию Солнца, ядерного топлива или недр нашей Земли, электростанции превращают ее из одной формы в другую, пока не получат ток. А уж он побежит по паутине проводов и быстро дойдет до нас и наших электроприборов, заряжая батарейки, разогревая чайники и так далее.
Молния – это тоже ток, только очень короткий. Энергии одной молнии хватило бы обычной семье примерно на месяц или на то, чтобы вскипятить тысячу чайников. Но вся эта энергия высвобождается в доли секунды в одной точке, поэтому удар молнии так опасен.