Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Електрика (від грецького «elektron», що означає «бурштин») – сукупність явищ, в яких виявляється існування, рух і взаємодія заряджених частинок. Нерідко під електрикою розу міють електричну енергію, наприклад, коли говорять про використання електрики в народному господарстві. Значення терміну «електрика» змінювалося в процесі розвитку фізики й техніки (М., «Радянська енциклопедія», 1989).

Початкові знання про електризацію тертям і магнітних властивостях відносяться до глибокої давнини. Наприклад, відомий єгиптолог Бругш Паша припускав, що в єгипетських храмах існували… блискавковідводи! Вони являли собою високі дерев’яні щогли з металевим обшиттям. Такі ж жердини, тільки зроблені із заліза, були відомі древнім індусам.

У ті далекі часи на околицях давньогрецького міста Магнезія стародавні греки знаходили камінчики, що притягували легкі залізні предмети (їх назвали магнітами й звідти прийшло до нас слово «магніт»). Вони знаходили й камінчики, що викидалися припливами й хвилями морів (їх називали бурштином), які не притягали залізних предметів, як магніти, але мали не менш цікаву властивість: після натирання об вовну здобували здатність притягати до себе пушинки, волосинки, соломинки, легкі шматочки дерева та інші легкі тіла. Давньогрецький філософ Фалес Мілетський уперше описав це явище, яке понад 2000 років залишалося невивченим і невикористаним.

Письмове свідчення знайомства людини з магнітними властивостями деяких матеріалів знаходимо в чудовій поемі «Про природу речей», написаній Титом Лукрецієм Каром у І столітті до нашої ери:

«Також буває, що поперемінно порода заліза
Може від каменю відскакувати або до нього притягатися.
Також і те спостерігав я, як стрибають
у мідній посудині Самофракійські кільця залізні або ошурки
У випадку, якщо під цією посудиною є камінь магнітний».

Перші вірогідно відомі згадування про електричні й магнітні явища пов'язані з іменем видатного англійського фізика й лікаря, лейб-медика королеви Єлизавети І Уїльяма Гільберта.

У своєму творі «Про магніти, магнітні тіла й великий магніт – Землю», який вийшов у Лондоні в 1600 р., він уперше розглянув магнітні й багато електричних явищ і навів великий перелік тіл, що електризуються тертям. Його дослідження властивостей магнітної стрілки привели до вірного висновку, що й Земля є магнітом.

Фалес Мілетський (бл. 625 – бл. 547 рр. до н.е.) – давньогрецький мислитель, родоначальник античної філософії й науки, засновник мілетської школи. Він походив зі знатного роду. Спонукуваний спрагою знань, він багато подорожував різними країнами, в тому числі здійснив подорож в Єгипет, де познайомився з астрономічними, математичними й механічними знаннями єгиптян. Був всебічним ученим і мислителем, винайшов кілька астрономічних приладів, вдало передбачив сонячне затемнення 585 року до н.е. Відомо, що йому були знайомі сила притягання магнітів і електричні властивості бурштину, яких він набуває при терті. Він створив струнке філософське вчення, що стосується питань світобудови. У галузі науки йому належить заслуга визначення часу сонцестоянь, рівнодень, встановлення тривалості року в 365 днів, відкриття факту руху Сонця стосовно зірок. Він також має заслуги в області математики.

Уїльям Гільберт (1544–1603) народився на південному сході Англії в містечку Колчестері, освіту одержав спочатку в Кембриджі, потім в Оксфорді. Гільберт у 1560-х роках успішно займається лікарською практикою. Зацікавившись цілющими властивостями магнітів, про які довідався у рукописах древніх і сучасних йому авторів, Гільберт приступив до фундаментального вивчення магнітних і електричних явищ, відтворив і перевірив вірогідність описаних дослідів, поставив ряд власних оригінальних експериментів. Дослідженням магнетизму й електрики Уїльям Гільберт присвятив 18 років свого життя, поставив понад 600 дослідів (усе це робив у вільний від основної роботи час) і в обох цих областях зробив видатні відкриття.

Відомо також, що під час своїх морських подорожей знаменитий Колумб зробив ряд наукових відкриттів, серед яких найбільше значення мають його спостереження над земним магнетизмом і компасом. Він визначив величину магнітного відхилення стрілки компаса й помітив, що для різних точок земної поверхні воно різне. Уперше це було констатовано 13 вересня 1492 року.

Гільберт першим став користуватися для досліджень магнітною стрілкою, що висить на тонкій нитці. Оскільки головна властивість магніту – його притягальна сила і оскільки бурштин, натертий тертям, притягує до себе дрібні тіла (що Гільберту було відомо), він намагався встановити залежність між притягальною силою магніту й такою ж силою бурштину. Встановити таку залежність Гільберту не вдалося, проте він відкрив, що властивості бурштину притаманні цілому ряду інших тіл, особливо різного роду склу, гірському кришталю й т.п. І, навпаки, інші тіла (наприклад мармур, вапно, метали і т.д.) цієї властивості не мають. Гільберт точно відрізняв тіла, що від тертя набувають електричні властивості, від тіл, яким ці властивості не передаються. Йому ж зобов’язане своїм походженням і саме слово «електрика» і вирази «електрична сила» та «електричне тяжіння». Тому, якщо в дослідженнях магнетизму Гільберт був першим не хронологічно, а по значимості, то в пізнанні електричних явищ він виявився справжнім піонером. Дуже важливим у вченні Гільберта є те, що він першим відокремив електричні явища від магнітних, розкривши різну їх природу, і сформулював відмінності між ними.

Природа електричних явищ залишалася довго прихованою від людського дослідження. Причина цього, можливо, полягає в тому, що ми відкриваємо ці явища тільки по супровідній механічній, світловій або тепловій дії. У майбутньому подальше вивчення явища електризації тертям показало, що воно викликається електричними зарядами, які є в будь-якій речовині, тому що електрично заряджені частинки є складовими частинами атомів усіх речовин. Але відтоді, як Гільберт показав, що тертям можна привести в електричний стан дуже велику кількість тіл, природознавство, яке у той час розквітло, із запопадливістю узялося за подальше дослідження.

Магдебурзький бургомістр і фізик Отто фон Геріке винайшов і спорудив перший пристрій для одержання статичної електрики.

Конструкція першої машини для одержання електрики описана ним у творі «Нові, так звані магдебурзькі, досліди про порожній простір» (1672 р.).

Цікаво, що приблизно за тисячу років до нового літочислення важливим досягненням в області магнетизму був винахід у Китаї навдивовижу дотепного приладу, названого «покажчиком півдня». Спочатку він застосовувався лише для гадання, але потім став використовуватися за своїм прямим призначенням – як морехідний компас. У ці ж часи був створений й оригінальний кінний «візок, що вказує на південь», на якому був встановлений механічний пристрій, котрий фіксував відхилення дишла від заданого напрямку «північ – південь». Компас в Європі відомий з XІІ століття. Без цього найпростішого навігаційного приладу були б неможливі великі географічні відкриття XV–XVІІ століть.

Мал. 5.1. Перша електрична машина Отто фон Геріке і демонстрація притягувальної сили електрики

Скляну кулю він заливав сіркою, а потім відбиванням видаляв скло. Зроблену таким чином кулю із сірки від споряджав дерев'яною віссю з підшипниками. За допомогою шнурка куля могла бути приведена у швидке обертання. При терті кулі по прикладеній до неї руці між нею і вільно підвішеним перед нею металевим стрижнем проскакували маленькі іскорки. Стрижень був провідником (кондуктором) і міг віддавати свій заряд руці або іншим предметам, розташованим поблизу. Перша електрична машина тертя Отто фон Геріке та ілюстрація дії притягальної сили електрики показані на мал. 5.1.

Характерною рисою кінця XVІІ й початку XVІІІ століть стало те, що дослідження електричних і магнітних явищ займають провідне місце. Ці дослідження відбилися у величезному числі експериментів, які, здавалося, не мали ніякого зв'язку між собою, але з яких поступово виникає знання законів електрики й магнетизму, знання, яке, зрештою, застосовується на практиці й досягає свого кульмінаційного моменту у небувалому розвитку сучасної електротехніки. Увага вчених на початку XVІІІ століття було спрямована на вивчення різних атмосферних явищ, пов’язаних з електрикою та магнетизмом. Так, в 1716 році англійський астроном і геофізик Едмунд Галлей (1656–1742) виявив, що північне сяйво, яке з’явилося того року і було видимим майже на всьому континенті, відхилилося від точки півночі майже настільки, наскільки відхиляється магнітна стрілка. У цьому він побачив зв'язок явища північного сяйва із земним магнетизмом.Гравюра з книги Отто фон Геріке «Нові, так звані магдебурзькі, досліди про порожній простір», 1672 р.

Отто фон Геріке (1602–1686) – німецький вчений, дипломат, бургомістр – по закінченню Магдебурзького училища вивчав науки в університетах Лейпцига, Хельмштадта, Ієни, Лейдена, захоплювався правом, фізикою, прикладною математикою, механікою, фортифікацією, вивчав явище вакууму, винайшов вакуумну відкачку й здійснив відомий експеримент із магдебурзькими півкулями. Також він займався дослідженнями в області електрики, виявив явище взаємного відштовхування двох наелектризованих тіл.

Якщо ще до кінця XVІІ століття вважали, що блискавка являє собою сірчані або селітрові пари, які раптово загоряються, то вже на самому початку XVІІІ століття з'явилися повідомлення, що іскри й тріск при наближенні пальця до підданого тертю бурштину можна порівняти із блискавкою й громом.