Historie elektřiny 2 ELEKTROTECHNIKA TO M Á Š T R E J BAL

Transkript

1 Historie elektřiny 2 ELEKTROTECHNIKA TO M Á Š T R E J BAL

2 Historie elektřiny ??? Historie elektřiny

3 Michael Faraday ( ) Pocházel z chudé venkovské rodiny (žijící na vesničce Newington dnešní předměstí Londýna). Vyučil se knihvazačem. Měl tedy možnost prohlížet si veškeré vědecké publikace této doby. Věda ho začala zajímat zejména poté, co se zúčastnil přednášky tehdejšího významného chemika Humphryho Davyho. Po roce od této přednášky se stal jeho asistentem.

4 Projevy elektromagnetismu Dánský fyzik a chemik Hans Christian Ørsted ( ) v té době zjistil, že elektrický proud procházející měděným vodičem v jeho laboratoři působí na střelku kompasu při pohybování s vodičem ji dokázal vychýlit. Ørsted takto jako první zjistil, že elektrický proud může vytvořit magnetickou sílu. Jedná se tedy o spojení dvou sil (elektrické a magnetické) v jednu elektromagnetismus.

5 Vsuvka základní interakce Jaké znáte základní síly (základní interakce)? Jaké jsou projevy jednotlivých základních interakcí?

6 Vsuvka základní interakce Silná (jaderná) síla Působí mezi částicemi hmoty Jedná se o nejsilnější interakci, avšak působí na malé vzdálenosti Zprostředkovatelem této síly je částice gluon Elektromagnetická síla Díky ní se například nepropadneme do středu Země Jedná se o interakci dalekého dosahu Zprostředkovatelem této síly je foton Slabá (jaderná) síla Díky ní probíhá např. radioaktivní rozpad částic Jediná síla, která působí na všechny leptony a kvarky Dokáže působit na neutrino Zprostředkovatelem této síly jsou bosony Gravitace Nejslabší síla působící především na hmotné objekty (v makrosvětě) Newtonovi spadlo díky ní na hlavu jablko Zprostředkovatelem této síly je graviton (zatím neobjevený)

7 První elektromotor Michael Faraday se rozhodl pokračovat ve výzkumu magnetických účinků elektrického proudu podle tvrzeních Ørsteda. V laboratoři si vzal skleněnou nádobu, do jejího středu vložil magnet a do nádoby nalil rtuť. Poté připevnil jednu svorku baterie k baňce tak, aby byla ponořena do vodivé rtuti. Druhou svorku připevnil ke kovovému držáku drátku, který držel nad nádobou (druhý konec byl u magnetu v rtuti). Ve chvíli, kdy Faraday propojil obvod, drátek začal kroužit kolem magnetu. Faraday takto vytvořil první elektromotor v historii.

8 První Faradayův generátor el. proudu Faraday byl názoru, že pokud se pomocí elektřiny a magnetismu dá něco rozpohybovat, mělo by jít pomocí pohybu a magnetismu vyrobit elektřinu. Při jeho experimentu 17.října 1831 vzal Faraday dlouhý magnet a začal s ním pohybovat uvnitř šroubovice z měděného drátu (cívky). Zjistil že při pohybu magnetem (dovnitř i ven) se generuje slabý elektrický proud.

9 Druhý Faradayův generátor el. proudu Faradaye zajímalo, zdali bude vznikat el. proud, pokud bude statický magnet a kov bude konat pohyb. K dřevěné konstrukci svého druhého generátoru připevnil magnet (ve tvaru podkovy) a měděný kotouč tak, aby plocha kotouče byla kolmá k pólům magnetu (viz obrázek). Kotouč poté roztáčel klikou. Když se vodič jedním koncem dotýkal středu kotouče a druhý konec jeho okraje, začal jím protékat elektrický proud. Faraday takto vytvořil první dynamo.

10 Elektromagnet Faraday ve svých pokusech také zjistil, že čím více má cívka závitů, tím větší jí pak protéká proud, pokud pohybujeme magnetickým jádrem. V této době vynalezli dva (na sobě nezávislí) vynálezci (William Sturgeon v Británii a Joseph Henry v Americe) elektromagnet. Do cívky o stovkách závitech vložili železné jádro a nechali cívkou protékat proud. Takto sestavené zařízení dokázalo přitahovat předměty jako magnet, ovšem pouze pokud jím protékal elektrický proud.

11 Telegraf První telegraf na principu elektromagnetu sestrojili Carl Friedrich Gauss ( ; významný fyzik a matematik) a Wilhelm Eduard Weber ( ) v Mnichově. Byl to první způsob téměř okamžitého přenášení informace na světě. Byl to v podstatě elektromagnet, který byl ovládán vodičem na dálku v té době již Samuel Morse ( ; malíř, sochař, vynálezce) vymyslel svou abecedu, která se poprvé uplatnila právě u telegrafu.

12 Telegrafní síť Telegraf byl prvním elektrickým zařízením, které se široce rozšířilo po celém (tehdy) vyspělém světě. V 50. letech 19. stol. již byla Evropa a Amerika prokřižována pozemními telegrafními dráty. Lidé se však snažili o celosvětovou komunikaci, hlavním cílem bylo propojit dvě nejvýznamnější mocnosti Británii a Ameriku. Mnozí výzkumníci tvrdili, že kabel přes Atlantik nebude fungovat. Avšak zároveň věděli, že by na této komunikaci mohli hodně vydělat.

13 Telegrafní síť V 50. letech 19. století bylo poměrně mnoho pokusů o natažení telegrafního vodiče, který by propojoval Británii a Ameriku. Avšak neúspěšných (vodiče se přetrhávali, atd ). Až 29.července 1858 se podařilo uprostřed Atlantiku spojit dva konce kabelu na jedinou loď nebylo možné naložit celý kabel. Královna Viktorie pak poslala zprávu prezidentu USA (Buchananovi). Zpráva sice byla jen 98 slov dlouhá, ale její přenos trval okolo 16 hodin.

14 Telegrafní síť Přijaté signály byly slabé a nejasné, proto se zpráva musela posílat několikrát po sobě. Poté se přes kabel posílalo ještě několik stovek zpráv, ovšem většina z nich byla nedešifrovatelná. Britský inženýr si myslel, že zvýšením voltáže se urychlí přenos zpráv. Kabel však poté přestal fungovat úplně - lidé byli názoru, že proud v kabelu teče jako voda v potrubí, tudíž při zvýšení voltáže dojde ke zvýšení proudu. Telegraf ovšem fungoval díky impulzům proudu, které se po cestě zkreslovaly. Díky tomuto jevu vědci zjistili, že el. proud se nechová jen jako voda v potrubí, ale vytváří také elektromagnetické vlny. Až po osmi letech se podařilo zkonstruovat takový kabel, aby umožňoval jasný přenos.

15 Elektrické osvětlení Než přišlo první elektrické osvětlení, bylo osvětlení ve městech řešeno svítiplynem rozváděným potrubím. To však svítilo velmi slabě. Proto bylo toto osvětlení nahrazeno obloukovými lampami, kterou již v roce 1808 vynalezl Humphry Davy (pro kterého pracoval Faraday). Fungovaly na principu neustálého přenášení výbojů mezi dvěma uhlíkovými vlákny. Jejich ostré světlo se však do domácností nehodilo.

16 Obloukové lampy

17 Thomas Alva Edison ( ) Byl americkým podnikatelem a vynálezcem. Pod jeho jménem bylo zaregistrováno 2332 patentů a jeho firmy jich zaregistrovali další tisícovku. Mezi jeho nejznámější vynálezy patří např.: fonograf, elektromobil, první elektrárna, gramofonová deska Milně je k Edisonovi připisováno vynalezení žárovky (vynalezl ji Heinrich Göbel). Edison ji však zdokonalil, patentoval a zavedl sériovou výrobu. K jeho nejvýznamnějším firmám (fungující dodnes) patří General Electric (dříve Edison General Electric Company).

18 Thomas Alva Edison ( ) Edisonovy slavné citáty: Když už byl Edison slavný, jeden novinář se ho zeptal: Pane Edisone, je pravda, že jste vynalezl žárovku, aniž jste znal Ohmův zákon? Odpověděl: Neznal jsem ho, a kdybych ho znal, tak by mě to zdržovalo. Na léčení trápení je práce lepší než láhev whisky. Genialita je jen 1 % inspirace a 99 % potu. Tajemství úspěchu v životě není dělat, co se nám líbí, ale nalézat zalíbení v tom, co děláme

19 Edisonova žárovka Edison nebyl výzkumníkem, ale vynálezcem. Nepracoval jako někteří vědci té doby samostatně (s asistentem) v laboratoři, ale založil světově první výzkumný ústav. V tomto ústavu pracovalo několik desítek (až stovek) inženýrů, kteří vynalézali nová zařízení v průmyslovém měřítku. Tito inženýři byli nuceni pracovat (v několika směnném provozu) dnem i nocí. Jejich primárním cílem bylo zdokonalit žárovku tak, aby se dala používat všude a aby ji bylo možné sériově vyrábět.

20 Edisonova žárovka Jeho plán zdokonalit žárovku nebyl novinkou výzkumníci z Ruska, Británie a Německa se o to pokoušeli (v té době) již 40 let. Edison a jeho tým pracovali metodou pokus-omyl a zkoušeli různá žhavící vlákna vhodná pro žárovku od platiny, kůží, korku až po vousy a vlasy inženýrů. Edison také vynalezl kompletní systém elektrického vedení od elektráren až po zásuvky a také vymyslel jak elektřinu prodávat.

21 Elektrická síť Edison jako první začal rozvádět elektřinu kabely zakopané v zemi. V 19. století nedávalo smysl zakopávat kabely bylo by to příliš nákladné. Proto se celá telegrafní a telefonní síť rozváděla nad zemí. Celé ulice New Yorku byly propleteny kabely tak, že nebylo vidět pomalu ani nebe.

22 Elektrická síť

23 Edisonova elektrárna Edisonova elektrárna produkovala stejnosměrný proud. Jeho výzkumníci spočítali, že i kdyby proud rozváděli nejsilnějším kabelem co si mohou dovolit, nemohou elektřinu rozvádět dále než do 1,5 km od elektrárny. Elektrárna tak byla výdělečná pouze ve velkých a bohatých městech, na předměstích by výstavba takovéto elektrárny znamenala prodělek.

24 Nikola Tesla ( ) Narodil se v rakouském císařství (dnešním Chorvatsku). Poté, co se přestěhoval do New Yorku ve 28 letech, pracoval krátce pro Edisona. Tesla byl pravý opak Edisona ať už v chování a vystupování (Tesla byl introvertní typ, který vždy dbal na etiketu a chování), nebo ve své vědecké kariéře (vycházel ze svých složitých výpočtů, kterým ani dnes nikdo nerozumí). Poté, co Edison nezaplatil Teslovy za zakázku, Tesla odešel z Edisonových společností. Nikola Tesla patří k nejvýznamnějším osobnostem elektrotechniky a vědy.

25 Nikola Tesla a střídavý proud Výzkumníci v této době zjistili, že čím slabší proud přenášejí přes kabel, tím menší jsou ztráty způsobené rezistivitou kabelu tím pádem se dá přenášet na větší vzdálenosti. V této době již Edison stavěl elektrárny po celém New Yorku (proinvestoval takto několik desítek (až stovek) milionů dolarů). Nikola Tesla přišel s nápadem využívat k přenosu elektrické energie jiný typ proudu. Takový proud, který využívá principu nízkých ztrát (viz výše) tak, že se v průběhu (v čase) neustále snižuje a zvyšuje aniž by docházelo na konci vodiče ke ztrátám výkonu. Tento proud se nazývá střídavý proud.

26 Nikola Tesla a střídavý proud V této době bylo také známo, že pokud chceme přenášet proud z bodu A do bodu B, bude výhodnější použít vyšší napětí. Transformací nízkého napětí na napětí vysoké dojde ke snížení proudu a tím pádem i snížení ztrát. Jelikož nechceme, abychom doma v zásuvce měli napětí V, napětí opět snížíme pomocí transformátoru což umožňuje střídavé napětí. Využívání střídavého proudu k distribuci el. energie mělo však zásadní nevýhodu. Střídavý proud byl sice vhodný např. pro obloukové lampy, ale neexistoval motor, který by mohl pohánět.

27 Motor na střídavý proud Tesla začal pracovat vymýšlet motor na střídavý proud (ve vědecké veřejnosti kolovaly názory že takový motor nemůže existovat) a sestrojil tzv. Teslovo vejce, které dokazovalo možnost přeměny střídavého proudu na mechanickou energii:

28 Motor na střídavý proud Takto Tesla vynalezl motor na střídavý proud. Fungoval na následujícím principu: Poprvé tak bylo možné rozvádět el. energii pomocí střídavého proudu na vzdálenosti přesahující stovky kilometrů od elektrárny.

29 Rozšíření střídavého proudu a počátek války proudů V Červenci 1888 nabídl americký podnikatel, průmyslník a vynálezce George Westinghouse Teslovi odkoupení jeho patentů na zařízení na střídavý proud. Tesla dostal dolarů za patenty a vynálezy se střídavým proudem. Navíc dostal nabídku, že za každou koňskou sílu, kterou jeho motory vyprodukují, dostane 2,50 dolarů. Toto se však nelíbilo Edisonovi, kterému koncept střídavého proudu narušoval jeho podnikání v rozvodových sítích se stejnosměrným proudem. Westinghouse a Tesla si začali konkurovat s Edisonem a tento konflikt vyústil v tzv. válku proudů.

30 Válka proudů Oba dva tábory se zpočátku snažily bojovat nízkou cenou, avšak Edison pak začal propagovat stejnosměrný proud jakožto bezpečnější. Když jste se dotkli kabelu Edisonovo kabelu na stejnosměrný proud, bylo to nepříjemné, avšak nijak to neublížilo. Když jste se dotkli kabelu se střídavým proudem a výrazně vyšším napětím, mohlo vás to zabít. Edison tak propagoval heslo Jestli chcete být v bezpečí, mějte stejnosměrný proud a zveličoval každou nehodu dělníků ve Westinghousových továrnách a každý požár způsobený zkratem.

31 Válka proudů V té době Edisonova strategie fungovala lidé se v 80. letech 19. století stále elektřiny báli dokázala vás na místě zabít a nebylo jasné proč. Edison navíc začal spolupracovat s elektrotechnikem Haroldem Brownem, který začal předvádět před zraky vědců a reportérů veřejné popravy zvířat střídavým proudem začal na pouličních psech, poté záměrně přešel na větší zvířata tele, koně. Tyto pokusy přivedly politiky k myšlence, že nejhumánnější způsob popravy je právě pomocí střídavého proudu ten vyráběly Westinghousovy stroje. Edisonovi právníci dokonce chtěli zavést termín tzv. Westinghousace pro smrt způsobenou střídavým proudem.

32 Válka proudů 6.srpna 1890 byl v 6:30 popraven 45 letý vězeň na elektrickém křesle se střídavým proudem. Elektrické křeslo bylo primitivní obyčejné dřevěné křeslo se dvěma navlhčenými elektrodami.

33 Válka proudů Tesla mezitím vyvinul způsob tvorby vysokofrekvenčních střídavých proudů a v roce 1891 ho na setkání nejlepších elektroinženýrů předvedl. Demonstrace vypadala asi takto (NEZKOUŠET!!!):

34 Válka proudů Desetitisíce voltů prošly skrze Teslu až do lampy v jeho ruce. Jeho střídavý proud byl na tak vysoké frekvenci, že prošel jeho tělem bez jakékoli újmy na zdraví a zcela bezbolestně. Tato demonstrace ukázala, že i extrémně vysoké střídavé napětí může být bezpečné, pokud se s ním správně zachází. Vítězi války proudů se tak stal Tesla s Westinghousem díky této demonstraci a také díky rozsvícení světové výstavy V roce 1896 byla vybudována na - Teslovu principu - elektrárna na Niagarských vodopádech. Ta o pár let později zásobovala i samotný New York. I dnes je drtivá většina el. energie získávána Teslovým systémem.

35 Konec Války proudů Tesla však nezemřel s miliardami dolarů na účtu. Kvůli záchraně Westinghouse proti krachu způsobeným kolapsem trhu s akciemi se Tesla vzdal nároků na jakékoli finanční odměny za své patenty. Tesla údajně začal být posedlý číslem 3, trpěl fobiemi z bakterií a z žen s perlovými náhrdelníky. Navíc se citově připoutal k holubům, byl jimi posedlý a pravidelně je chodil krmit (dokonce si zamiloval jednoho bílého holuba - když zemřel, Tesla upadl do depresí) Tesla zemřel v lednu 1943 sám a bez peněz. Na Teslu se zapomnělo, ale Edison byl oslavován jako hrdina. Proto také Teslovo tělo našli až necelý týden po jeho smrti.