Электрическая энергия, страница 105 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

В современном мире трудно представить себе какую-то отрасль жизнедеятельности без электрической энергии. Будь то тяжелая промышленность, сельское хозяйство, транспорт или нефтяная промышленность и т.д.

Каким образом получают электрическую энергию?

Какие альтернативные источники энергии эффективнее для человечества на сегодняшний день?

Каким образом получают электрическую энергию?

Получение электрической энергии в промышленных масштабах основано на преобразовании других видов энергии в электрическую. В основе подавляющего большинства методов лежит явление электромагнитной индукции, открытое Майклом Фарадеем. Его суть заключается в том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает электрический ток. Закон Фарадея можно выразить формулой: $ \mathcal{E} = - \frac{d\Phi_B}{dt} $, где $ \mathcal{E} $ — это электродвижущая сила (ЭДС), а $ \frac{d\Phi_B}{dt} $ — скорость изменения магнитного потока. На практике это означает, что для выработки тока нужно вращать ротор генератора (состоящий из проводящих обмоток) в сильном магнитном поле. Таким образом, основная задача большинства электростанций — найти способ вращать турбину, соединенную с генератором.

Основные способы получения электроэнергии:

1. Тепловые электростанции (ТЭС): Это самый распространенный тип электростанций в мире. Они сжигают ископаемое топливо (уголь, природный газ, мазут) для нагрева воды в котле. Образующийся пар под высоким давлением подается на лопасти турбины, заставляя ее вращаться. Турбина, в свою очередь, вращает ротор электрогенератора, который вырабатывает электрический ток.

2. Атомные электростанции (АЭС): Принцип их работы схож с ТЭС, но источником тепла служит не сжигание топлива, а управляемая цепная ядерная реакция деления тяжелых ядер (обычно урана-235). Эта реакция высвобождает огромное количество энергии в виде тепла, которое используется для получения пара и вращения турбогенератора.

3. Гидроэлектростанции (ГЭС): Используют энергию движущейся воды. Плотина перегораживает реку, создавая перепад уровней воды. Поток воды под давлением устремляется через специальные каналы и вращает лопасти гидравлических турбин, которые соединены с электрогенераторами.

4. Ветроэлектростанции (ВЭС): Преобразуют кинетическую энергию ветра. Поток воздуха вращает огромные лопасти ветряной турбины (ветряка), которая через редуктор передает вращение на электрогенератор.

5. Солнечные электростанции (СЭС): Работают по двум разным принципам. В фотоэлектрических станциях солнечный свет попадает на фотоэлементы (полупроводниковые устройства), где благодаря фотоэффекту напрямую преобразуется в электричество. В термодинамических СЭС система зеркал концентрирует солнечные лучи для нагрева теплоносителя (например, воды или масла), который затем используется для выработки пара и вращения турбины, как на ТЭС.

6. Химические источники тока: Это аккумуляторы и гальванические элементы (батарейки). Они не генерируют энергию из внешнего источника, а преобразуют запасенную в них химическую энергию в электрическую в результате окислительно-восстановительных реакций. Аккумуляторы, в отличие от батареек, являются перезаряжаемыми.

Ответ: Электрическую энергию в основном получают путем преобразования механической энергии вращения в электрическую с помощью электрогенераторов на электростанциях (тепловых, атомных, гидравлических, ветряных). Также существуют методы прямого преобразования, такие как использование солнечной энергии в фотоэлементах или химической энергии в аккумуляторах и топливных элементах.

Какие альтернативные источники энергии эффективнее для человечества на сегодняшний день?

Понятие «эффективность» для источников энергии многогранно и включает в себя экономическую составляющую (стоимость выработки), надежность, воздействие на окружающую среду, масштабируемость и доступность. На сегодняшний день не существует одного идеального источника, и эффективность каждого из них зависит от конкретных условий и задач. Однако можно выделить несколько ключевых направлений.

1. Солнечная и ветровая энергетика. На сегодняшний день это самые быстрорастущие и наиболее экономически эффективные для строительства новых мощностей источники энергии. Стоимость солнечных панелей и ветряных турбин за последнее десятилетие резко снизилась, сделав их конкурентоспособными или даже более дешевыми, чем ископаемое топливо во многих регионах мира.
Эффективность: Высокая экономическая эффективность для новых проектов, низкий углеродный след в процессе эксплуатации, быстрая масштабируемость.
Проблема: Главный недостаток — непостоянство (интермитентность). Солнце светит только днем, а ветер дует не всегда. Это требует развития систем накопления энергии (аккумуляторы), строительства резервных мощностей или создания "умных" энергосетей (Smart Grid) для балансировки нагрузки.

2. Атомная энергетика. Часто рассматривается как низкоуглеродная альтернатива ископаемому топливу.
Эффективность: Очень высокая плотность энергии (мало занимаемой площади), способность вырабатывать огромное количество электроэнергии стабильно и без перебоев (базовая нагрузка), практически полное отсутствие выбросов парниковых газов.
Проблема: Высокая стоимость и длительные сроки строительства, вопросы общественной безопасности и проблема долгосрочного хранения радиоактивных отходов делают ее менее привлекательной для многих стран по сравнению с быстро развертываемыми СЭС и ВЭС.

3. Гидроэнергетика. Один из старейших и наиболее освоенных возобновляемых источников энергии.
Эффективность: Очень низкая себестоимость произведенной энергии на уже построенных станциях, высокая надежность и долгий срок службы. ГЭС также могут быстро изменять мощность, что помогает стабилизировать энергосистему.
Проблема: Строительство крупных ГЭС сопряжено со значительным экологическим ущербом (затопление территорий, изменение экосистем рек) и социальными проблемами (переселение людей). Большая часть наиболее удобных для строительства ГЭС мест в мире уже использована.

4. Геотермальная энергетика. Использует тепло земных недр.
Эффективность: Стабильный и надежный источник энергии, не зависящий от погоды, с очень малым воздействием на окружающую среду.
Проблема: Географическая ограниченность. Эффективное использование возможно только в регионах с высокой геотермальной активностью (вблизи тектонических разломов, вулканов).

Ответ: На сегодняшний день наиболее эффективными для человечества с точки зрения скорости развертывания, снижения стоимости и экологической повестки являются солнечная и ветровая энергетика. Несмотря на их прерывистый характер, именно они лидируют по вводу новых мощностей в мире. Однако для построения устойчивой и надежной энергосистемы будущего, вероятно, потребуется разумное сочетание различных источников: быстрорастущих возобновляемых (ветер, солнце), стабильных низкоуглеродных (атом, геотермальная энергия, ГЭС) и развитых систем накопления и распределения энергии.