Elektřina – výroba

klid

Energie z vakua

Ani jediná katedra elektroinženýrství v západním světě dnes neučí, co jsou síly v elektrickém obvodu nebo jak vůbec vzniká efektivní elektrická energie dodávaná elektrickou sítí. Ani jediná. Nenalezneme to v ani jediné elektrotechnické učebnici. Ani to v nich nikdy nebylo! Miliardy tun spálených uhlovodíků, statisíce tun spotřebovaného jaderného paliva, parou poháněné turbíny a žádný generátor nikdy přímo nepřidal jediný Watt do elektrické rozvodné sítě. Žádné větrné kolo, jaderná elektrárna, akumulátor či hydroelektrický generátor nebo sada solárních článků. Nic z toho a nikdy ani Watt.

ČISTÁ ENERGIE Z AKTIVNÍHO VAKUA

Každý elektrický obvod, který kdy byl a je navrhován, je ve skutečnosti napájen elektrickou energií extrahovanou dipólem z lokálně narušené “prázdnoty; vakua”, prostoru, který je sám o sobě aktivní. Jenže naši inženýři jsou školeni tak, aby realizovali obvody, které samy ruší možnost získávání nasávané energie dříve, než odevzdá svůj výkon.

Hlavy ve vědecké obci netuší, co vlastně síly v elektrickém obvodu nebo elektrické energii jsou. Vědci do klasické elektrodynamiky a elektrotechniky – a do svých vlastních úvah – nevčlenili princip porušené symetrie opačných nábojů – jako například u běžného dipólu čili bipolarity – prokázaný v částicové fyzice od roku 1957. Žádná velká národní laboratoř apod., neprovedla jejich začlenění do oficiálních úvah o energetických soustavách. Místo toho tyto instituce, organizace a jejich vedoucí pracovníci, stále doporučují vládám nevhodné energetické produkční postupy. Na základě těchto rad pak státy v oblasti energetického výzkumu neúčelně utrácejí peníze daňových poplatníků.

Takto jsou ročně promrhány miliardy dolarů na vědecký výzkum spočívající na archaickém a špatném teoretickém základě. Ještě více miliard je promarněno za energetické systémy a těžkopádnou, centralizovanou rozvodnou síť, která je nejen velice nákladná, ale i velmi zranitelná vůči živelným pohromám a do módy přicházejícím teroristickým útokům. Jsou to dinosauři čekající na to, až je teroristé zničí.

 

 

K “napájení” energetických systémů je zapotřebí stále více přehradních hrází, elektráren spalujících uhlovodíky, ropovodů, ropných vrtů, ložisek zemního plynu, tankerů, přístavních zařízení, rafinerií, jaderných elektráren a mnoha periferních systémů; například větrných elektráren, polí solárních článků, nouzových zdrojů atd. Spolek energetických kejklířů tak vesele pokračuje v realizaci pažravých energetických výrobních postupů zaneřáďujících celou planetu, znečišťujících biosféru, jejíž velká část je již zničená! Tento spolek hamižných podvodníků vyvražďuje celé živočišné a rostlinné druhy! Má na svědomí každoročně znepokojujícím způsobem rostoucí počet zbytečných lidských úmrtí v důsledku znečistění vzduchu a životního prostředí a významně přispívá ke globálnímu oteplování uvolňováním spalin uhlovodíku do atmosféry. Přitom vydává ekonomiku průmyslových zemí – dokonce i Spojených států – spočívající na křehkých základech nutné udržitelnosti plynule stoupající křivky dosažitelné levné energie z levných paliv jako nafty a uhlí – na milost zemím kontrolujícím většinu světových zásob levné ropy. Teroristům jsou přitom nabízeny nechráněné strategické cíle, které lze snadno narušit a zničit.

To malé množství poznatků, tvořících novou platformu pro převratnou nauku o původu energie v elektrických obvodech, dodali částicoví fyzici před téměř půl stoletím. Objev, o němž hovořím, byl oceněn Nobelovou cenou, již získali Lee a Yang v roce 1957 za prognózu porušené symetrie. Tento obrovský objev s hlubokým dopadem na celou fyziku ovšem dosud nebyl začleněn do elektrotechniky, lépe řečeno do starověkého Maxwell-Heaviside-Lorentzova pojetí elektrodynamiky, pilně biflovaného budoucími elektrotechnickými inženýry.

Následkem toho je všudypřítomný zdroj veškeré elektrické energie – napájející každý elektrický obvod a systém, ať už je malý či obrovský – stále ještě dutě ignorován v energetické nauce i technologii, jak na vysokých školách, tak i předními vědeckými institucemi. Ani environmentální aktivisté, usilující o záchranu biosféry, dosud nerozpoznali skutečný zdroj problémů – proto zveřejňuji toto sdělení a nabízím ho všem, i vědecké obci a ochráncům životního prostředí.

Popisem činnosti shora uvedených “chamtivců” jsem chtěl povzbudit vaši zvědavost a pozornost. Dovolte mi teď vysvětlit, proč jsou tato překvapující a zdánlivě bláznivá tvrzení pravdivá, proč by se věci mohly ubírat jinou cestou, a co pro to můžeme udělat.

 

 

Stručná historie klasické Maxwell-Heaviside-Lorentzovy elektrodynamiky

V šedesátých letech 19. století sloučil James Clerk Maxwell elektrická a magnetická pole do společného modelu, a tak odstartoval současný systém klasické elektrodynamiky, který se v omezené formě vyučuje dodnes. Maxwellův klíčový dokument byl publikován roku 1865, ve formě záznamu, užívajícího quaternionů (čtveřic). Quaternionová algebra podchycuje mnohem více charakteristik a funkcí nauky, kterou modeluje, než vektorová nebo tenzorová algebra běžně užívaná v elektrotechnice.

Pro příklad: za užití standardní tenzorové či vektorové analýze nikdo nemůže “spatřit” ty nejdůležitější funkce, kultivované v Teslových patentovaných obvodech, zatím co aktuální quaternionová analýza těchto patentů je ukazuje. Proto se velice drtivá většina elektrotechniků mýlí, kteří užívají pouze standardní tenzorovou analýzu a přitom sebejistě tvrdí, že porozuměli Teslovu dílu.

Maxwell v dokumentu z roku 1865 specifikoval 20 svých rovnic a jejich 20 neznámých. Kolem díla se rozpoutal lítý boj, protože několik – z tehdy tří tuctů elektrotechnických vědců na světě – ještě ovládalo quaternionovou matematiku. Před smrtí, v roce 1879, začal Maxwell přepisovat svou knihu z roku 1873 pro druhé vydání, s jednoduššími rovnicemi.

Po Maxwellově úmrtí si v 80. letech 19. století zahrál hlavní roli v konverzi (redukci) jeho rovnic Oliver Heaviside – brilantní vědec, samouk, který ale nikdy nenavštěvoval univerzitu. Tak vlastně vznikla současná vektorová algebra. Heaviside, který z duše nenáviděl potenciály, prohlásil, že by “měly být v této teorii vyvražděny”. Redukovaný výtvor, na němž pracovali Heaviside, Gibbs a Hertz, vedl k extrakci čtyř moderních vektorových rovnic o nějakých čtyřech neznámých. Tyto rovnice – společně s Lorentzovým zkomolením – jsou vyučovány na každé univerzitě jako “Maxwellovy”. Ve skutečnosti jsou to Heavisideho rovnice, mimo to navíc ještě ořezané Lorentzovým symetrickým “regaugingem” – rekalibrováním.

 

 

V nejrannějších dobách výzkumu elektromagnetismu byly potenciály považovány za matematické smyšlenky, a všechny elektromagnetické fenomény připsány důsledku působení silových polí. Jakákoliv manipulace s potenciály, které nezměněné vystupovaly ze soustavy silových polí, byla proto pevně ustanovena jako výsledek potvrzující identičnost všech systémů. Dnes už se ví, že to není pravda. Např. v kvantové mechanice a kvantové elektrodynamice právě tak, jako u vyšší skupiny v symetrické elektrodynamice – jenže hlavy ortodoxního spolku elektrodynamiků stále ještě zvěčňují přežilou smyšlenku.

Jak Maxwellova původní teorie tak i její Heavisideho zkomolenina stanoví dva hlavní druhy elektromagnetických systémů: (I) ty, které jsou “v rovnováze” s jejich aktivním okolím, tedy ty, které z něj nemohou přijmout a využít EM energii a (II) ty, které byly “vyvedeny z rovnováhy” s jejich aktivním okolím, takže z něj mohou volně přijímat a využívat EM energii.

Termodynamický systém třídy I (rovnovážný) lze přirovnat k veslici, plovoucí na klidném rybníčku. Nemáme tu k dispozici žádnou “síťku pole”, takže pokud chceme uvést člun do pohybu, budeme muset “veslovat” a nepřetržitě vydávat sílu; dodávat energii, abychom ho poháněli vpřed.

Termodynamický systém třídy II (nerovnovážný) může být přirovnán k plachetnici na stejném rybníku za větru. Zde budeme muset vkládat něco síly ke “kormidlování”, ale sílu a energii potřebnou k pohonu, nám volně poskytne vítr. Nyní ovšem naše loď “vykonává pohybem po vodě více práce”, než umožňuje síla (energie), kterou vkládáme do ovládání kormidla. Jednoduše nemusíme veslovat, stačí uspořádat plachty lodi a řídit ji kormidlem. Rozdíl ve spotřebě energie – hnací sílu – dodává vítr, takže zákon o zachování energie není porušen. Prostými slovy, získáváme a kontrolujeme použití většího množství energie, než jsme sami museli dodat.

Takový systém může být dokonce zcela “automotivní”, podobně jako větrný mlýn ve větru nebo vodní kolo pohánějící mlýn na obilí. Musíme zaplatit jen za postavení větrného či vodního kola a údržbu, ale nemusíme už dodávat žádnou další energii či sílu; jakmile je spustíme, poběží dokud bude foukat vítr nebo proudit voda.

Totéž platí pro elektromagnetické systémy, protože Maxwellova teorie se vztahuje výhradně na “tekutou materii”. Veškeré fluidní soustavy tedy mohou být teoreticky posuzovány jako maxwellovské systémy, protože rovnice jsou stejné a užívají analogické funkce.

Než Lorentz překalibroval Maxwell-Heavisideho rovnice, daly se jen těžko řešit analyticky. Často byly vyžadovány numerické metody, jejichž postupy byly noční můrou kalkulace, užívané kdysi uprostřed osmnáctého století, hezky dávno před nástupem moderních počítačů i automatizovaných pomůcek. V době počítačů lze numerické metody používat mnohem snadněji.

Za účelem zredukování obtížnosti jejich řešení, a hlavně pro vyloučení potřeby použití pracných numerických metod, byly hledány jednodušší maxwellovské rovnice. Lorentz je pak dále zredukoval svým “symetrickým překalibrováním”. Nově vnucená symetrie omezila míru svobodného užívání základních pravidel podle nichž mohl být na přání volně zaměněn potenciál (a jeho energie) v libovolném elektromagnetickém systému. V systémech pokrytých Heavisidem redukovanou teorií ještě bylo možné měnit energetický potenciál. Avšak dalo se to provést jen tak, že musela být vytvořena dvě nová, rovnoprávná a protikladná volná pole. Tato nová pole se pak “navzájem přetahují”, mění vnitřní napětí v systému, ale nedělají žádnou externí práci (která vyžaduje nenulové silové pole).

To má za výsledek potlačení každého přebytku energie elektromagnetického pole, která by mohla být přijata z okolí do potenciálu napětí – neprodukujícího sílu – uvnitř systému.

V systému může být volně zvýšena energie okolním prostředím, které mu zvyšuje napětí, ale systém nemůže využít volného napětí potenciální energie pro vykonání jakékoliv externí práce. Takovéto systémy, aby vykonávaly práci, musí mít nějaký dodatečný zdroj energie, který způsobí objevení určité úrovně silového pole. Zkrátka, systém musí být dodatečně asymetricky překalibrován, aby tato úroveň vznikla. To znamená, že od doby, kdy Lorentzem překalibrovaný systém sám zabraňuje okolnímu prostředí, aby ho vybavilo “energií ze soustavy polí”, musí systémový operátor nebo experimentátor vkládat dodatečnou asymetrickou rekalibrační energii.

Když Lorentz upravoval rovnice, vyvolil z maxwellovských systémů prakticky pouze mnohem jednodušší “první třídu” – ty, které jsou v rovnováze s jejich vnějším aktivním prostředím, a tudíž nezpůsobilé z něj přijímat a využívat jakoukoli “volnou energii”. To mělo za následek, že rovnice jsou jednodušší a lze je mnohem snadněji řešit analyticky. Tím ovšem neúmyslně vyřadil kompletní třídu maxwellovských systémů – těch, které jsou v nerovnováze se svým aktivním prostředím, a proto jsou schopny volně přijímat nadbytek energetického potenciálu a energie ze soustavy polí, v důsledku toho odhalit čistou sílu, a pak jejím využitím spotřebovat přebytky energie vykonáváním práce ve vnější zátěži.

Aby ulehčil matematické řešení rovnic, Lorentz svévolně a bezděčně odhodil elektrický větrný mlýn i plachetnici, a ponechal nám jen veslici. A elektrodynamika i elektrotechnika stále ještě oddaně používá Lorentzovsky rekalibrovanou podskupinu rovnic. Kvůli tomu naše současné elektrické systémy – navržené a konstruované podle symetrizovaných rovnic – nebudou a ani nemohou přijímat a využívat energii četných “elektrických větrů”, které lze snadno změnit na elektromagnetické. Naši inženýři a priori dají dohromady pouze “první třídu” maxvellovských systémů, a nikdy nepostaví systém druhé třídy. Většina z nich už nikdy neuvěří, že tato “druhá třída” existuje, protože prostě není v jejich archaickém, 137 let starém myšlenkovém modelu. Je to zkrátka klasický proces, kdy jedno odvětví vědecké obce horlivě obhajuje zastaralou a nedokonalou verzi nějaké nauky, třebaže v jiném odvětví už byla dávno objevena lepší, která ji nahrazuje.

Dva druhy systémů a dva druhy termodynamiky

Máme zde dva hlavní směry termodynamiky (nauky o tom, jak je energie rozptylována a konvertována). První je nejstarší, pro skupinu systémů pracujících v rovnováze s jejich okolím. Tato rovnovážná termodynamika se týká jen systémů, které nepřijímají a nevyužívají výhod vyplývajících z energetických rozdílů v jejich prostředí. Platí zkrátka pro veslici, ale ne pro větrný mlýn ve větru, plachetnici, vodní kolo, solární článek, tepelné čerpadlo, apod. Do takového systému musíme vždy vkládat více energie, než je energie, kterou z něho dostaneme, protože něco z toho, co do něj vložíme, se promarní v něm samotném (třením, vnitřními ztrátami, atd.). Jeho koeficient výkonu (získaná energie děleno energií kterou jsme vložili) je vždy menší než jedna. Ve zkratce COP
Z toho důvodu všechny naše konvenční energetické systémy vykazují COP

 

 

Druhá skupina termodynamiky zahrnuje systémy, které nejsou v rovnováze s jejich aktivním prostředím. Například Ilya Prigogine obdržel v roce 1977 Nobelovu cenu za svůj příspěvek k této termodynamice. Zkrátka a dobře, tato skupina termodynamiky je aplikovatelná na větrné a vodní kolo, plachetnici, solární článek, tepelné čerpadlo, atd. Vztahuje se rovněž na jednu třídu maxvellovských systémů, ale bohužel právě na tu, kterou Lorentz svévolně odhodil v důsledku symetrické rekalibrace. Protože tento druh systému může volně přijímat a využít přebytek energie z okolí (ze soustavy nenulových silových polí), může na výstupu odevzdat více práce (energie), než by vykonala energie, kterou jsme do něj vložili. Přebytek energie (s výsledkem odpovídajícím soustavě silových polí) vykoná práci navíc, protože rozdíl daný nižší účinností soustavy je vyrovnáván z vnějšího prostředí (fyzikálního vakua).

Obyčejné domácí tepelné čerpadlo poskytuje nádherný příklad soustavy pracující s termodynamickou nerovnováhou okolí (vnějšího ovzduší). Získává tepelnou energii z okolní atmosféry a používá ji k vytápění domu. Tepelné čerpadlo, podle jmenovitých podmínek, dosahuje teoretického maxima COP = 8,22 {15}. Pro ochlazení domu naopak získává teplo z vnitřního a rozptýlí ho do vnějšího ovzduší. Dokonce i při vnitřních ztrátách, dosáhne dobré domácí tepelné čerpadlo, za rozumných podmínek (nepříliš chladný vnější vzduch, atd.), COP = 4,0. Takže systémy dosahující COP>1,0 jsou dobře známé – s výjimkou elektrodynamiky, odkud je Lorentz jednoduše vyhodil a elektrotechnici i věda v tom pokračují. Všechny naše elektrické soustavy jsou už více než století navrhovány a stavěny ve shodě s Lorentzovým záměrným omezením původní nauky!

Šaráda okolo “stroje s věčným pohybem” je procvičování ve velmi špatném úsudku

Mylný názor, že všechny elektromagnetické systémy (nejen Lorentzem rekalibrované) jsou “přirozeně omezeny” na COP
Pravdou je, že je fyzikálně vyloučeno sestrojit zařízení – elektromagnetické či jiné – které dodá více práce (přeměnou formy energie) než je možno získat využitím energie, která je do něho vložena či je k dispozici, ať už obsluhou nebo z prostředí nebo obojím. Příklad přístupu, který mám na mysli, demonstruje Bohrenův experiment opakovatelný v libovolné dobré vysokoškolské fyzikální laboratoři, který na výstupu vždy poskytne víc EM energie, než do něho experimentátor vloží (téměř 18 krát tolik). Jiný příklad: Každý náboj a každý dipól ve vesmíru nepřetržitě poskytují EM energii a nemusíme vynakládat vůbec žádnou energii, jakmile je jedno či druhé – náboj či dipól – vytvořeno a pak už ponecháno v klidu o samotě.

Systém, který nepřetržitě získává energii z prostoru lze sestavit za pár korun

Příroda ochotně poskytuje bohaté zdroje nekončící EM energie, volně k převzetí a použití kdekoli a kdykoli. Říká se jim “náboje” a “dipóly” – nezřídka zdrojové náboje a zdrojové dipóly. Udělejte pokus. Jednoduše položte elektretový či nabitý kondenzátor na permanentní magnet tak, aby se elektrická pole elektretu nebo kondenzátoru a magnetické pole magnetu křížila v pravém úhlu. Ta hloupá věc tam bude ležet a “vylévat” EM energii všemi směry, rychlostí světla, pokud ji ovšem necháte být a nezrušíte to. Po roce přesáhne výron energie vašeho zařízeníčka poloměr jednoho světelného roku – daleko mimo sluneční soustavu – všemi směry. Do obrovského objemu prostoru o poloměru jednoho světelného roku vyzářená energie samozřejmě bude mít změněnou energetickou hustotu. Je to neustálé vysílání stále stejné dávky energie, neustálá výměna energetické hustoty s klidovou, větší částí prostoru.

 

 

Dokonce i “konvenční” elektrodynamika souhlasí s tím, že takováto soustava nepřetržitě emituje tok elektromagnetické energie. Tatáž elektrodynamika nicméně “mnohomluvně mlčí” pokud jde o otázku odkud tento trvalý výron EM energie přichází a proč vlastně vstupuje do náboje nebo dipólu. Neexistuje zjistitelný vstup energie do náboje či dipólu, ale je zde zjistitelný její trvalý výstup (výkon). Každý náboj, i dipól, zdánlivě vytváří energii z ničeho, což pochopitelně dokonale popírá zákon o zachování energie, pokud tomu skutečně tak je. Protože to klasická elektrodynamika nebyla schopna vyřešit, její učebnice zůstávají vůči tomuto elementárnímu problému a jeho hlubšímu smyslu velmi mlčenlivé. Přes toto do nebe volající mlčení klasičtí elektrodynamici implicitně předpokládají, že každý zdrojový náboj a zdrojový dipól ve vesmíru představuje perpetuum mobile, volně a nepřetržitě vytvářející energii z ničeho. Toto buď naprosto popírá platnost zákona o zachování energie, anebo kdosi bude muset vysvětlit otázku původu zdrojového náboje. Střední cesta neexistuje, protože zdrojový náboj je reálný a všudypřítomný. A to všudypřítomné rozlévá na všechny strany energii.
Veškerá elektromagnetická energie v libovolném elektrickém obvodu nebo zařízení pochází ze zdrojových nábojů a dipólů. Jestliže někdo nemůže vysvětlit, kde a jak tyto náboje získávají energii, kterou nepřetržitě vysílají ven, pak nevědí absolutně nic o tom, co doopravdy uvádí do chodu veškeré elektrické obvody. Protože příjem energie nelze pozorovat (měřit), musí být přijímána v nějaké zvláštní, a za normálních okolností nepoužitelné, formě. Náboje pak musí převést přijatou energii do použitelné a pozorovatelné (měřitelné) podoby a reemitovat je v nové formě, aby tak okruh mohl nějaké z nich zachytit a byl jimi “vybuzen”.

Otázka zdrojového náboje zaostřuje pozornost na skutečný problém. Buď musíme úplně vynechat zákon o zachování energie nebo musíme připustit, že každý náboj a dipól je maxwellovský elektromagnetický systém s COP>1,0, volně přeměňující tvar jakési pozoruhodné přijímané energie. To znamená, že nepřetržitě vykonává “bezplatnou” práci, jíž je přeměna formy energie. Každý náboj a dipól volně přijímají virtuální elektromagnetickou energii a nepřetržitě mění jeji podobu na pozorovatelnou elektromagnetickou energii. O dilematu zdrojového náboje a jeho nepřetržitého vysílání reálné elektromagnetické energie se hovoří jako o “nejobtížnějším problému klasické a kvantové mechaniky”.

Až do roku 2000 se neobjevilo žádné klasické řešení dlouho znepokojujícího problému spojitosti polí, potenciálů a jejich energie, rozprostřené napříč celým kosmem, se zdrojovým nábojem, který je produkuje. Základ pro řešení byl prezentován ve fyzice částic už v 1957, kdy byl předložen důkaz existence porušené symetrie. V roce 2000 navrhoval autor tohoto článku formální řešení v souladu s kvantovou teorií pole, částicovou fyzikou, kvantovou elektrodynamikou, a přehodnocením Whittakerovy dvouvlnové dekompozice skalárního potenciálu. V tomto řešení byl použit termín “giant negentropy” (mohutná záporná entropie), protože náboj a dipól trvale a volně vstřebává, udržuje pohromadě, organizuje, a pak v pozměněné formě opět vysílá energii získanou z fyzikálního vakua.

 

 

Protože každý náboj v každém okruhu je kontinuálně záporně entropický, pak myšlenková konstrukce entropie obvodů využívající negentropické náboje musí obsahovat nějakou vlastnost, jíž tuto zápornou entropii potlačíme. Tento aspekt zde chceme ve zkratce vyložit.

Univerzity by se měly, což nedělají, zaměřit na hlavní spornou otázku: Co udělat pro zachycení, odklonění a jímání části volně proudící elektromagnetické energie, snadno získatelné z každého náboje a dipólu, a jak využít této volné výkonové kapacity, aniž bychom přitom narušili nebo zlikvidovali skutečný “zdroj energie”? žádná univerzita, zdá se, nepracuje na tomto problému a také ne žádná z velkých laboratoří či významné odborné sdružení. V uvedeném problému se nicméně skrývá absolutní základ, naprosto nezbytný k pochopení původu elektřiny. Celebrovaný zbytek “odhalených záhad” slouží pouze jako psychologická zástěrka k tomu, aby nebylo rušeno pohodlí Lorentzem rekalibrované, zmrzačené klasické elektrodynamiky.

Elektřina z citronu: Zkuste doma rozsvítit LED diodu pomocí zásob z lednice

Citrony, kiwi, rajčata, brambory i kyselé okurky můžete použít nejenom jako přísadu do salátů. Místo vitamínů můžete z kyselého ovoce i zeleniny získat také slabý elektrický proud, který zvládne rozsvítit malou LED diodu nebo aspoň vychýlit střelku kompasu.

Elektřina z citronu: Zkuste doma rozsvítit LED diodu pomocí zásob z lednice

Bioelektřina

Elektrická energie vznikající v živých organismech, např. ve svalech a nervech.

Na pokus budete kromě svolného druhu ovoce nebo zeleniny potřebovat ještě kousek mědi, dva drátky, kousek zinku a malou LED diodu. Roli ve vámi režírovaném experimentu můžete dát i kompasu. Místo zinku můžete obsadit do role také kovový hřebík ze železa, ale vytvoříte proud s o něco menším napětím.

Měděné drátky seženete celkem snadno z elektroinstalace. Zinek získáte rozřezáním obalu použitého monočlánku, ale můžete ho nahradit i kouskem pozinkovaného plechu nebo již zmíněným hřebíkem.

Postup na výrobu elektřiny z citronu

  • 1) Do citronu, který se dobrovolně přihlásil k účasti na vašem experimentu, zapíchneme kousky mědi i zinku, tak aby se obě části nedotýkaly, ale částečně vyčuhovaly z citrusu.
  • 2) Kovové části propojíme oběma drátky k LED diodě, takže vytvoříme uzavřený elektrický obvod. Mezi kovy a kyselinou citronovou dojde k chemické reakci (elektrolýze), kdy elektrody cestují mezi kladně a záporně nabitými póly. Z kladně nabité měděné části tedy cestují elektrody k záporně nabitému zinku.
  • 3) Vzniká tak elektrický proud, který by vám měl rozsvítit LED diodu.

  • Zapojte do obvodu více kusů ovoce. Každý citron představuje jeden galvanický článek. Napětí každého článku v obvodu se sčítá. To znamená, že čím delší ovocný řetěz máte, tím vyšší napětí získáte. Z 1 kusu šťavnatého citrusu dostanete napětí o hodnotě 0,9 Voltů. Když místo zinku použijete železný hřebík, napětí bude asi poloviční.
  • Zapojení diody závisí na polaritě zdroje. Když nesvítí, zkuste ji zapojit obráceně.
  • Využijte červené LED diody, protože ty svítí i při nízkém napětí. Na rozsvícení budete potřebovat asi tři propojené citrony.
  • Používejte pouze čisté kovové části. Ušpiněné kousky kovu můžete případně očistit saponátem nebo lihem.
  • Vybírejte si šťavnaté kusy ovoce. Více vody usnadňuje vodivost v obvodu. Citron můžete například mírně pomačkat, abyste z ovoce dostali více čiré tekutiny.
  • Zkuste vyměnit LED diodu za kompas. Na vychýlení střelky totiž stačí menší napětí. Drátek omotejte kolem kompasu.

Podívejte se, jak celý pokus vypadá na vlastní oči.

Jak se vyrábí elektřina aneb jak funguje elektrický generátor (dynamo)

Generátory elektrické energie

Jsou dva hlavní druhy:

  • alternátor – který generuje střídavý proud
  • dynamo – které generuje stejnosměrný proud (víceméně se dá říci, že je to alternátor s komutátorem, což je velmi jednoduchá mechanická věc, která dovede ze střídavého proudu udělat stejnosměrný)

V principu jde o to, přeměnit mechanickou energii (otáčení turbíny pod přehradou, vrtule na větrné elektrárně, turbíny v tepelné či jaderné elektrárně) na elektrickou.

Stejnosměrný a střídavý proud

V naších příměrech jsme uvažovali proud stejnosměrný (tj. proud elektronů z jednoho drátu do druhého). V praxi se ale ukazuje, že je pro mnoho využití lepší střídavý proud.

Názorně: rozdíl mezi těmito dvěma druhy proudu si můžeme představit na příkladu pily. Pilou buď můžeme řezat jen na jednu stranu (a vždy čepel vyndat, nastavit na začátek a znovu říznout jedním tahem), nebo na obě strany (sem tam).

To je v principu rozdíl mezi stejnosměrným proudem (teče vždy na jednu stranu) a střídavým proudem (cuká se, elektrárna jej generuje tak, že se ve vaší žárovce elektrony strkají pořád sem a tam – z příměru pily by vám ale už mohlo být jasné, že práci to vykoná obdobnou).

Generátor elektrického napětí (dynamo)

Princip funkce dynama je takový, že drát v elektrárně je přiveden do magnetického pole (představte si velké pevné magnety) ve formě smyčky. Magnetické pole působí na elektrony ve smyčce jako gravitační síla na vás. Na videu je modrými šipkami naznačen směr působení magnetické síly. Ta tlačí v našem případě elektrony ve smyčce směrem dolů.

Vtip je ale v tom, že se smyčka v magnetickém poli točí. Tím dochází k tomu, že se elektrony střídavě “přelévají” z horní části smyčky do dolní (naznačeno žlutými šipkami), následně dojde ale k otočení smyčky a elektrony tečou zase zpátky (ale opět z horní části smyčky do dolní). Generuje se tak střídavý proud.

Ten je následně mechanickém komutátorem usměrněn na stejnosměrný proud (pouze se ve vhodnou chvíli na půl otáčku jakoby prohodí konce drátů), jehož průběh můžete vidět ve videu na grafu.

Elektrony jsou tak v principu přestrkávány z jednoho drátu do druhého. Pokud je obvod uzavřen (stisknut vypínač od žárovky atd.), prochází obvodem stejnosměrný proud. Pokud by byl obvod rozpojen (vypínač vypnut), vytvoří se mezi oběma vodiči jen elektrické napětí. To, jak jsme si už říkali v minulém článku, vlastně popisuje chuť elektronů běžet z jednoho drátu do druhého.

Co je to elektřina, elektrické napětí, proud a proč svítí žárovka?

Co je to elektřina?

Elektřinu si můžeme představit jako vodovod. Máme dráty, které jsou izolované (jako trubka), a kterými proudí elektrony – maličké nabité částice (jako voda).

Elektrický proud

Elektrický proud potom říká, kolik částic dráty proudí, běží.

Elektrické napětí

Elektrické napětí si potom můžeme představit jako rozdíl množství elektronů ve dvou drátech. Ukazuje to, kolik elektronů při spojení konců drátů bude chtít přeběhnout z “méně plného” drátu do “plnějšího”. Spojení můžeme realizovat třeba zapnutím vypínače světla. Dojde tím ke spojení dvou drátů s různým napětím a elektrony se začnou hrnout třeba skrz žárovku.

A to je celý vtip, proč je elektrické napětí tak často v kontextu elektřiny zmiňováno. Čím je větší, tím více práce může vykonat (při stejném elektrickém proudu, který poteče). Může tak pohánět vysavač, pračku, vlak…

Elektrické napětí názorně: když máte dvě trubky – jednu plnou vody a druhou prázdnou, které jsou odděleny ventilem (třeba vodovodním kohoutkem), druhé konce mají volné a ve větší výšce tak, že voda z plné trubky nevyteče. Jakmile teď kohoutek otevřete, začne proudit voda z plné trubky do té prázdné. Rozdíl množství vody, to by bylo jakési “vodní napětí”.

Elektrický obvod se žárovkou

Představme si běžný lustr. Na zdi vidíme jeho vypínač. Co ale nevidíme je to, že k vypínači vede několik drátů. Pro jednoduchost si představme, že od elektrárny vedou jen dva dráty. Jeden vede až k vypínači, kterým je ve vypnuté poloze přerušen a dále pokračuje na jeden konec žárovky v lustru. V žárovce je tenoulinké vlákno, které, když si prohlédnete novou žárovku, vypadá jako malé pérko. Jeden konec vlákna je spojen se zmiňovaným drátem. Druhý konec vlákna potom s druhým drátem, které vede kolem vypínače zase zpět do elektrárny, kde společně s prvním drátem mizí kdesi v elektrickém generátoru, kde se propojí.

Schema zapojení lustru
Schema zapojení lustru

Elektrárna dělá to, že udržuje mezi oběma dráty elektrické napětí, tedy jakýsi rozdíl počtu elektronů, jak jsme si říkali výše. Dělá to tak, že pomocí generátoru jakoby “strká” elektrony z druhého drátu do prvního.

Při vypnutém vypínači tak na žárovce pomocí tzv. voltmetru naměříme elektrické napětí.

Jakmile vypínač sepneme, začnou elektrony proudit z prvního drátu přes žárovku do druhého. Protože je ale vlákno žárovky velmi úzké, elektrony se v něm začnou o sebe třít a vznikne tak teplo a světlo. (bohužel tepla vznikne mnohem více, pro se dnes prosazují zářivky a úsporné žárovky, které fungují trošku složitěji).

Příměr s vodovodem

Když se vrátíme k příměru s vodovodem, můžeme si žárovku představit jako vodní mlýnek. Vypínač potom bude vodovodní kohoutek, oddělující prázdnou a plnou trubku.  Do elektrárny v našem příměru tedy vedou také dvě trubky – prázdná a plná. Generátor si pak můžeme představit jako obyčejné čerpadlo, které čerpá vodu z prázdné trubky do plné (ano, paradoxně z prázdné – snaží se totiž udržet maximální “vodní napětí”, tedy maximální rozdíl vody mezi trubkami).

Když je kohoutek zavřený, skrz mlýnek neteče voda a mlýnek se netočí. Jakmile kohoutek otevřeme, začne se hrnout voda z plné trubky do prázdné (dojde tím k poklesu “vodního napětí”, protože se sníží rozdíl množství vody v obou trubkách). Voda proudí skrz mlýnek, který se otáčí a původně prázdnou trubkou do elektrárny (teď už snad chápete, proč elektrárna čerpá vodu z původně prázdné trubky do původně plné – kompenzuje totiž úbytky “vodního napětí”).

A takto se tam v potrubí voda točí a otáčí mlýnkem, než zase kohoutek zavřeme.

Jak to ty elektrony dělají?

Naprostá většina populace v rozvinutém světě denně, respektive spíš neustále, využívá elektrický proud. Ale skoro nikdo netuší, co to vlastně ta elektřina je a jakými zákony se řídí. Občas někdo si ze školy vzpomene, že jsou tam nějaké elektrony a to je tak asi všechno. Pojďme se podívat, jako to ty elektrony vlastně dělají, že je s nimi tolik legrace.
Víme, že elektrický proud je přenos elektronů. Drát si tedy můžeme představit, jako vodovodní trubku a elektrony třeba jako molekuly vody. Pak můžeme definovat základní pojmy:
Proud představuje množství elektronů, které projdou za jednotku času, tedy vlastně něco jako průtok. Ve vodovodu ho měříme na litry za sekundu, v drátech nám tečou ampéry.
Napětí
elektrony nutí k tomu, aby se pohybovaly žádoucím směrem. Je to tedy něco jako rozdíl tlaků. V potrubí ho měříme dejme tomu v pascalech, atmosférách a pod., v drátech máme volty.
Náboj je veličina, udávající množství elektrického proudu, je tedy úměrný počtu elektronů, které nás z daného pohledu zajímají a můžeme si ho představit třeba jako litry vody. Jeho jednotkou je coulomb, který získáme, pokud necháme 1 A procházet po dobu 1 sekundy.
Zdroj je zařízení, které uvádí proud do pohybu. Tedy něco jako čerpadlo. Stejně jako čerpadlo jedním koncem nasává a druhým vodu tlačí, zdroj jedním koncem „nasává“ elektrony (tomu říkáme kladný pól) a druhým je tlačí ven (tomu říkáme záporný pól ).
Spotřebič je zařízení, které proud brzdí a tím mu odebírá energii, měníce ji do požadované formy. Tedy něco jako mlýnské kolo, nebo raději hydraulický motor.
Když zavřeme kohoutek, je to něco jako když vypneme vypínač. Čerpadlo dál udržuje tlak v potrubí, ale voda neteče. V drátech je tedy napětí, ale neprochází jimi proud. Někde tady ale podobnost začíná pokulhávat. Když kohoutek otevřeme, může nám voda za (ne)vhodných okolností vytéct na podlahu. To elektřina běžně nedělá. Pojďme se podívat, kde je rozdíl. S vodou je to jasné, teče kamkoli, kde je pro ni místo. Proud naopak nejraději prochází pevnými věcmi, ale jen některými. Říkáme jim vodiče a jsou to téměř výhradně kovy.
Zda je materiál vodivý, nebo není, závisí na tom, jak si jeho atomy hlídají své elektrony. Některé jsou v tomto ohledu velmi benevolentní a část svých elektronů nechávají volně toulat mezi podobně bezstarostnými kolegy. Takovým elektronům říkáme vodivostní a materiálům, které je mají, vodiče. Ostatní jsou povětšinou zcela nevodivé a říkáme jim izolanty. Pak máme ještě polovodiče, ale o nich zas někdy jindy. Odlišně to funguje též v roztocích.
Nyní zkusíme stanovit, jakou rychlostí se takové elektrony ve vodiči pohybují. Pro jednoduchost budeme předpokládat proudovou hustotu 1 A/mm2 (prakticky používané hodnoty jsou do 6-10 v kabelech elektroinstalací, do 1-10 ve vinutí transformátorů a větších motorů, ale třeba až 30 v malých modelářských motorcích). Zároveň budeme předpokládat, že atomy jsou od sebe vzdálené 0,26 nanometru (nano je miliardtina), což je typická hodnota pro měď – nejpoužívanější vodič. Na 1 mm2 takových atomů připadá 14,8.1012, tedy asi 15 bilionů, metr vodiče jich obsahuje 55.1021, tedy 55 triliard. Náboj jednoho elektronu je 1,602.10-19 C. Má-li každý atom jeden vodivostní elektron, bude coulomb obsažen v 0,62.1019 atomech, což je v případě našeho drátu 0,11 mm jeho délky. Závěrem je tedy zjištění, že proud se naším vodičem šourá neuvěřitelně šnečím tempem 0,11 mm/s (kterému říkáme driftová rychlost), což se může zdát podezřelé, vezmeme-li v úvahu, že když stiskneme vypínač, lampička se rozsvítí hned. Zde zas pomůže analogie s vodou: Když trochu pootevřeme kohoutek, voda v trubce se taky pohybuje pomalu, přesto se pohyb rychle rozšíří do celé její délky. Jak rychle? Rychlostí zvuku, což je ve vodě asi 1,5 km/s. Podobně je to s elektrony, mezi kterými se „rozkaz“ k zahájení pohybu šíří rychlostí světla (přesněji rychlostí elektromagnetických vln v materiálu izolace, ale o tom zas někdy jindy).

Zvětšit obrázek

Nejjednodušší představa elektronů ploužících se vodičem: Poklidně se šourají od atomu k atomu, rychlostí danou proudovou hustotou.

Výše uvedený popis je už celkem dobře prakticky použitelný a i dost rozřířený mezi velkou částí elektrotechnicky vzdělané veřejnosti. Jenomže s elektrony hýbe nejen proud, ale i teplo, které jak známo hýbe se vším. No a protože elektrony jsou suverénně nejlehčí, tak se podle zákona zachování hybnosti musí po srážkách s kmitajícími atomy pohybovat rychle. Vzhledem k ohromnému nepoměru mezi hmotností atomu a elektronu je jasné, že rychlost bude závratná. Při běžné, pokojové teplotě je to v řádu km/s. Elektrony se tedy ve vodiči volně a velmi rychle chaoticky pohybují všemi směry a narážejí při tom do atomů a hranic vodiče. Tomuto mumraji říkáme elektronový plyn. Jestliže prochází proud, je k tomuto pohybu přičten nepatrný vektor směřující žádoucím směrem.

Zvětšit obrázek

Elektron jako opilá, neřízená střela: Poklidné šourání nahradí bujaré poletování všemi směry a narážení do všeho, co je v cestě. Procházející proud představuje nepatrnou rychlost, která se k tomuto blázinci přičte.

Za povšimnutí ještě stojí, že vodivostní elektrony svým pohybem samozřejmě šíří i teplo. Proto jsou vodiče elektrické i dobrými vodiči tepla. To je velmi příjemné zjištění, pokud chceme odvést teplo z elektrického zařízení, ale také velká komplikace, pokud bychom vyžadovali elektricky vodivý tepelný izolant. Praktickým důsledkem jsou například mizerné parametry peltierových baterií.
Vodič ovšem není homogenní, takže ani tato představa ještě není dokonalá. Kov má mikrokrystalickou strukturu. Při tuhnutí taveniny totiž na mnoha místech začnou růst krystaly, které se posléze v různých vzájemných polohách potkávají a tam to „hapruje“. Také jsou v něm nečistoty a příměsi, které situaci dále komplikují. No a nakonec je tu samotný výrobní proces, který obsahuje dosti násilné mechanické zpracování. Jestliže z úhledného válečku postupným tažením vyrobíme kilometrový drát, z původní struktury toho moc nezbyde.

Zvětšit obrázek

Elektron jako míček v Pinballu: Odráží se od hranic jednotlivých mikrokrystalů a atomů. Někdy se člověk diví, jak to, že ty elektrické přistroje vůbec fungují.

Ani tento popis není kompletní, ale pro dnešek by už mohl stačit. Někdy později se v tom budeme vrtat ještě hlouběji. Příště se pro změnu podíváme trochu více na jevy spojené s rychlými změnami velikosti a směru proudu.