Розділ 2. Гідроенергетичні ресурси, їх використання. Принципові схеми, параметри, режими роботи ГЕС і ГАЕС

Здавалося б, XVII століття дуже небагато привнесло в розвиток пізнання електричних і магнітних явищ, але саме тоді був закладений фундамент і наданий могутній імпульс дослідженням цих явищ в подальших сторіччях. 

Під час дослідів з електричною машиною, які проводились ученими у XVIII столітті, помічали перехід електрики з скляного круга, що натирався, на кондуктор. Багато раз пробували розряджати «лейденську банку» через довгий ланцюг людей, що взялися за руки, але ніхто не висловив ясної думки про можливість тривалого плину електрики провідниками.

Відкриттю електричного струму передували досліди італійського анатома Луїджі Гальвані.

Працюючи в лабораторії, де проводилися досліди з електрикою, Гальвані спостерігав явище, яке було відоме багатьом ще до нього. Воно полягало в тому, що якщо через нерв жаб’ячої ніжки, сполученої дротиком із землею, розряджати кондуктор електричної машини, то спостерігалися судорожні скорочення її м’язів. Але одного разу Гальвані помітив, що лапка прийшла в рух, коли з її нервом стикався тільки сталевий скальпель. Найдивовижніше було те, що між електричною машиною і скальпелем не було ніякого контакту. Це вражаюче відкриття примусило Гальвані здійснити ряд дослідів для виявлення причини спостережуваного явища. В один з осінніх днів 1780 року Гальвані провів експеримент з метою з’ясувати, чи викликає такі ж рухи в лапці електрика блискавки. Для цього Гальвані підвісив на латунних гачках декілька жаб'ячих лапок у вікні, закритому залізними ґратами. І він виявив на протилежність своїм очікуванням, що скорочення лапок відбуваються у будь-який час, поза всякою залежністю від стану погоди. Присутність поруч електричної машини або іншого джерела електрики виявилася непотрібною. Гальвані встановив далі, що замість заліза і латуні можна використовувати будь-які два різнорідні метали, причому комбінація міді та цинку викликала явище в найбільш виразному вигляді. Скло, гума, смола, камінь і сухе дерево взагалі не давали ніякого ефекту. На жаль, Гальвані дійшов висновку, що в тканинах тіла жаби міститься «тваринна електрика». Тому при з'єднанні провідниками (мідь, залізо) нерва з м'язами відбувається розряд. У результаті його сучасникам поняття «тваринної електрики» стало здаватися набагато реальнішим, ніж електрика якого-небудь іншого походження. Виявлення електричного струму все ще залишалося таємницею. Де ж з'являється струм: тільки в тканинах тіла жаби, тільки у різнорідних металах чи ж в комбінації металів і тканин? На щастя, історія розпорядилася так, що результати дослідів Гальвані, викладені ним в його знаменитому «Трактаті про електричні сили при м'язовому русі», який побачив світ в 1791 році, потрапили на очі італійському ученому Алессандро Вольта.

Гальвані Луїджі (1737–1798) – італійський лікар, анатом і фізіолог, один із засновників електрофізіології. Освіту здобув у Болонському університеті, там же викладав медицину.

Алессандро Вольта (1745–1827) – італійський фізик і фізіолог, один з основоположників вчення про електрику. Встановив зв'язок між кількістю електрики, ємністю і напругою, винайшов перше хімічне джерело струму на мідно-цинковій парі («вольтів стовп», або «батарея Вольта»). У квітні 1800 р. в Парижі Вольта був прийнятий Першим консулом Франції – Наполеоном. Наполеон цікавився науками, справедливо вважаючи, що сила держави в новому столітті немислима без процвітання освіти. Продемонструвавши захопленому Наполеону свої досліди, Вольта став лицарем Почесного легіону, одержав звання сенатора і графа (мал. 6.2).

Вольта прожив довге і щасливе життя. На жаль, майже всі його особисті речі, прилади, а також 11 величезних папок його праць згоріли під час пожежі. Але Вольта вічний у вольті – одиниці електричної напруги.

Мал. 6.1. «Вольтів стовп»Приголомшений Вольта перечитує трактат і знаходить в ньому те, що випало з-під уваги самого автора, – згадку про те, що ефект здригання лапок спостерігався лише тоді, коли лапок торкалися двома різними металами. Вольта вирішує поставити видозмінений дослід, але не на жабі, а на самому собі. «Признаюся, – писав він, – я з невірою і дуже малою надією на успіх приступив до перших дослідів: такими неймовірними здавалися вони мені, такими далекими від всього, що нам досі відомо було про елек трику... Нині я звернувся до дослідів, сам був очевидцем, сам проводив дивну дію і від невіри перейшов, можливо, до фанатизму!».

Відтепер Вольту можна було побачити за дивним заняттям: він брав дві монети – обов'язково з різних металів – і... клав їх собі до рота – одну на язик, іншу – під язик. Якщо після цього монети або кружечки Вольта сполучав дротинкою, він відчував кислуватий смак, той самий смак, але набагато слабкіший, що ми можемо відчути, лизнувши одночасно два контакти батарейки. З дослідів, проведених раніше з електрофором, Вольта знав, що такий смак викликається електрикою. Вольта припустив, що причиною явища, яке спостерігав Гальвані, служила присутність двох різних металів. Керуючись цією думкою, він поставив багато дослідів і, нарешті, зробив важливе відкриття, про що і повідомив у 1800 році Лондонському королівському товариству. Вольта писав, що він знайшов нове джерело електрики, яке діє подібно до батареї слабо заряджених «лейденських банок». Проте на відміну від гальванічної батареї його прилад заряджається сам собою і розряджається безперервно. При цьому він дав і опис свого приладу.

 А. Вольта демонструє дію побудованої ним гальванічної батареї Першому консулу Франції, майбутньому імператору Наполеону Бонапарту (за рисунком Бертіні)

15 червня 1802 р. у Франції, у той час одній із самих передових в науковому відношенні країн, засновується державна премія у вигляді золотої медалі і солідної грошової суми «тому, хто своїми відкриттями, подібно Вольті й Франкліну, просуне вперед науку про електрику і магнетизм». Перший консул, що віддав це розпорядження, майбутній імператор Наполеон I, закінчує свою вказівку пророчими словами: «Моя мета полягає в заохоченні, в залученні уваги фізиків до цього розділу фізики, що являє собою, як мені відчувається, шлях до великих відкриттів». Першим цієї нагороди був удостоєний в 1806 р. Хемфрі Деві. До речі, французька премія була вручена англійцю саме в той момент, коли ці країни знаходилися у стані війни. Проте ніякого обурення громадськості не сталося. З боку Наполеона I це дійсно був вчинок, гідний наслідування.

Вольта влаштував свій прилад так. Він поставив один на оден декілька дюжин попарно зібраних цинкових і мідних кружків, розділених папером, змоченим солоною водою. Коли експериментатор торкався однією рукою до нижнього – мідного, а іншою – до верхнього цинкового кружка, то одержував сильний електричний удар.

Мал. 6.2. Гальванічна батарея Вольта

При цьому прилад не розряджався, і скільки б разів він не торкався кружків, удар повторювався, тобто заряд електрики виникав безперервно. Таким чином, Вольта одержав перше досить могутнє джерело електрики – знаменитий «вольтів стовп», що склав цілу епоху в історії фізики (мал. 6.1). Так було відкрите нове явище – безперервний рух електрики в провіднику, або електричний струм. Створення першого джерела електричного струму зіграло величезну роль в розвитку науки про електрику і магнетизм. Сучасник Вольта французький учений Араго вважав вольтів стовп «найчу довішим приладом, коли небудь винайде ним людьми, не виключаючи телескопу і парової машини».

Відразу слідом за цим Вольта зробив ще один великий винахід: він винайшов гальванічну батарею, пишно названу «короною судин», що складалася з багатьох послідовно сполучених цинкових і мідних пластин, опущених попарно в судини з розбавленою кислотою, – вже досить солідне джерело електричної енергії (мал. 6.2). Можна вважати, що з того дня джерела постійного електричного струму – вольтів стовп і гальванічна батарея – стали відомі багатьом фізикам і знайшли широке застосування в подальших дослідженнях.

Прилад Вольта спонукав учених до роботи над винаходом подібних джерел струму. Зокрема, гальванічний елемент був влаштований англійським хіміком Джоном Даніелем (1790–1845). В елементі Даніеля циліндрична зігнута мідна пластинка занурена в розчин мідного купоросу. Цинкова пластинка знаходиться в пористій глиняній судині, наповненій розбавленою сірчаною кислотою. Провідником, що сполучає мідну пластинку з цинковою, тече електричний струм. У 1839 році німецький фізик Роберт Бунзен (1811–1899) замінив мідну пластинку вугільним циліндриком, зануреним в азотну кислоту. Нарешті, паризький хімік Лекланше створив дуже дешевий і зручний елемент, що знайшов широке застосування. У його елементі також є циліндрична зігнута цинкова пластинка і вугільний циліндрик, але вони обидва занурені в розчин нашатирю.