NOWA ETYKIETA ENERGETYCZNA

Słyszymy często zdanie, że wiek nasz jest wiekiem elektryczności, podobnie jak ubiegły był okresem panowania pary. Rzeczywiście, elektryczność odgrywa coraz większą rolę w naszym życiu. W wielu krajach energię spadku wody rzek zamienia się w wielkich elektrowniach wodnych na energię prądu elektrycznego. Uruchomiono już szereg wielkich elektrowni jądrowych. W krajach talach, jak Szwecja i Szwajcaria, gdzie istnieją liczne i znaczne spadki wód, sieć kolejową już niemal całkowicie zelektryfikowano i pociągi pędzone są prądem elektrycznym, dzięki czemu zyskuje się ogromnie na prędkości i czystości w podróży. Inne kraje, jak np. Francja, zelektryfikowały już główne linie kolejowe, a i u nas elektryfikacja kolei czyni coraz szybsze postępy. Fabryki wszystkich krajów korzystają z napędu elektrycznego, wszędzie mówi się o elektryfikacji na większą lub mniejszą skalę. Jesteśmy świadkami bujnego rozwoju elektroniki, której etapy znaczą mikroskop elektronowy i radar. Z elektrycznością spotykamy się dziś na każdym kroku. W domu mamy dzwonki i światło elektryczne, telefon, aparat radiowy; wysyłamy telegramy do odległych miast, w kinach słyszymy mowę i muzykę dzięki działaniu komórek fotoelektrycznych, a telewizja, która opanowała już całkowicie zaawansowane technicznie kraje, rozpoczęła i u nas swój triumfalny pochód.

Aż do końca XIX w. starano się wyjaśnić zjawiska elektryczne, usiłując je sprowadzić do pewnych zjawisk mechanicznych, ale wszelkie wysiłki w tym kierunku, podejmowane przez największych ówczesnych uczonych, zawiodły. Elektryczność w żaden sposób nie dala się wtłoczyć w ramy mechaniki.

Każde wytłumaczenie jakiegoś zjawiska polegać musi na sprowadzeniu go do pewnych zjawisk prostszych, podstawowych, nie wymagających już żadnego wyjaśnienia. Otóż istnieją pewne elementarne zjawiska elektryczne, za pomocą których tłumaczymy dziś wszystkie inne, w szczególności zjawiska mechaniczne.

Nauka dzisiejsza przyjmuje za jeden z faktów podstawowych istnienie nabojów elektrycznych. Wykonajmy bardzo proste i znane już od czasów starożytnych doświadczenie —potrzyjmy np. pręcik szklany o rękaw. Przekonamy się z łatwością, że przez potarcie pręcik nabiera pewnych własności specjalnych, ujawniających się choćby przez to, że przyciąga on teraz drobne skrawki papieru. Dotykając pręcikiem potartym innego pręcika szklanego, przeniesiemy na drugi pręcik własność przyciągania papierków, lecz jednocześnie zauważymy, że siła, z jaką pierwszy pręcik działał na papierki, uległa osłabieniu. Nasuwa się wniosek, że własność przyciągania papierków zawdzięcza nasz pręcik temu, iż przez pocieranie pojawiło się na jego powierzchni coś, co można przekazywać z ciała na ciało. Bliższe zbadanie tej sprawy wykazuje, że to coś rzeczywiście istnieje ; nadajemy mu nazwę naboju elektrycznego.

Już w początkach rozwoju nauki o elektryczności zauważono, że istnieją dwa rodzaje naboju elektrycznego: dodatni i ujem- n y. Nazwy te nadano umownie. Możemy ich używać przede wszystkim dlatego, że analogicznie do liczb dodatnich i ujemnych równe ilości naboju dodatniego i ujemnego znoszą się wzajemnie.

Nabój elektryczny jest niezniszczalny. Naboje elektryczne wykazują pewną bardzo ważną właściwość. Ilekroć w jakikolwiek sposób wywołamy powstawanie nabojów elektrycznych, czy to przez tarcie, czy przez tzw. jonizację, czy innym jeszcze sposobem — zawsze powstają w równych ilościach naboje dodatnie i ujemne. Całkowity ładunek elektryczny (suma algebraiczna wszystkich nabojów dodatnich i ujemnych) pozostaje niezmienny przy każdym procesie tego rodzaju. Uogólniając te fakty doświadczalnie, możemy wypowiedzieć zasadę zachowania ładunku elektrycznego: całkowity nabój elektryczny wszechświata jest stały.

Z fizyki elementarnej wiadomo, że ładunki elektryczne wzajemnie na siebie działają: jednoimienne odpychają się, różnoimienne przyciągają się. Wyobraźmy sobie w pewnym punkcie przestrzeni jakieś ciało naelektryzowane, np. dodatnio. Na dowolne inne ciało umieszczone w sąsiedztwie będzie ono działać z określoną silą mechaniczną. Tak więc przestrzeń otaczająca naelektryzowane ciało staje się siedliskiem sił elektrycznych; mówimy, że ciało naelektryzowane wytwarza wokół siebie pole elektryczne. Dla większej prostoty rozumowania załóżmy, że w przestrzeni, gdzie istnieje pole elektryczne, umieszczamy jednostkę ładunku dodatniego.

Jak w przypadku ciał naelektryzowanych rozpatrujemy pole elektryczne, tak w przypadku ciał namagnesowanych, mając do czynienia z siłami magnetycznymi, mówimy o polu magnetycznym. I tu znów siłę, która oddziaływałaby w danym punkcie na masę magnetyczną jednostkową, nazwiemy natężeniem pola magnetycznego. Analogia sięga daleko, gdyż i siły magnetyczne są odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości mas magnetycznych.

W końcu XVIII i na początku XIX w. uważano za najistotniejszy czynnik we wszelkich zjawiskach elektrycznych ładunki (naboje) wytwarzające pole sil. Uważano, że skoro dane jest rozmieszczenie ładunków, analiza matematyczna, opierająca się na prawie Coulomba, pozwoli obliczyć siły działające w dowolnym miejscu przestrzeni i że tą drogą wszelkie zagadnienia można rozwiązać. Dzięki wysiłkom teoretyków udoskonalono w wysokim stopniu metody matematyczne obliczeń; starano się ująć dziedzinę elektryczności w jednolity, harmonijny całokształt twierdzeń i wniosków.

M. Faraday (1791—1867), genialny samouk, umiał uniezależnić się od panujących poglądów, być może dzięki temu, ze nie znając matematyki, nie mógł zgłębić rozpraw teoretycznych i zżyć się z utartymi poglądami. Według wyobrażeń Faradaya, najistotniejsza rola w oddziaływaniach elektrycznych przypada nie ciałom naelektryzowanym, lecz otaczającemu je środowisku, w którym powstaje pole elektryczne. Faraday uzmysławiał to sobie w sposób następujący. Dwa ciała mające ładunki przeciwne  przyciągają się wzajemnie; pomiędzy tymi ciałami istnieją niewidzialne linie sił, jakby rodzaj nici sprężystych, napiętych (na rysunku oznaczono je krótkimi kreskami). Kurczenie się tych nici powoduje zbliżenie się ciał na elektryzowanych, ich wzajemne przyciąganie. Siedliskiem energii elektrycznej zatem są nie ciała naelektryzowane, lecz środowisko pomiędzy nimi.

Faradayowski pogląd znalazł nieoczekiwane a wspaniałe potwierdzenie. Siły działające pomiędzy przewodnikami naelektryzowanymi występują zawsze, gdy je oddziela jakiś dielektryk (ciało nie przewodzące elektryczności). Kierując się teorią linii sił, można było z góry przewidzieć, że naprężenie ich w różnych środowiskach będzie niejednakowe, a zatem jednakowe naboje elektryczne niejednakowo przyciągają się w różnych środowiskach. Fakt fen odkrył sam Faraday. Dwie kulki o ładunkach znaku przeciwnego przyciągają się w benzenie 2—3 razy słabiej niż w powietrzu.

Natura Faradayowskich linii sił i mechanizm ich działania w szczegółach pozostały nie wyjaśnione. Działanie elektryczne istnieje zarówno w środowiskach materialnych, jak i w próżni wobec tego wyobrażano sobie linie sił jako sprężyste nici eteru kosmicznego, wypełniającego próżnię. Nie zdołano jednak nigdy stworzyć jakiegoś rozumnego wyobrażenia o eterze, który musiał być zarazem bardzo rozrzedzony, by ciała niebieskie mogły poruszać się w nim bez tarcia, i daleko sprężystszy od stali, by przenosić szybko biegnące fale świetlne.

Dalszy triumf ideom Fa radayowskim zapewniły nie próby mechanistycznego wyjaśnienia podstawowych koncepcji, lecz matematyczne ujęcie praw i prawd odkrytych przez Faradaya. Takie ujęcie matematyczne dał J. C. Maxwell (1831—1879). Słynne równania Maxwellowskje nie są jednak tylko zsumowaniem faktów doświadczalnych w języku symboli matematycznych ; tkwi w nich również śmiałe uogólnienie faktów, a ponadto umiejętność wydobycia na jaw głębokich podobieństw, które umysł pospolity dostrzega, gdy …geniusz pokaże mu drogę wiodącą do celu. Oddać w niewielu zdaniach istotę subtelnego rozumowania matematycznego jest oczywistym niepodobieństwem. Nie kusząc się o to, spróbujemy jednak zupełnie ogólnikowo wskazać, na czym polega oryginalność pomysłu Maxwella.

Spomiędzy licznych odkryć Faradaya największy tytuł do sławy i wdzięczności przyszłych pokoleń dało mu wykrycie prądów indukcyjnych (1831 r.). Na nich oparte jest funkcjonowanie każdej elektrowni. Źródłem światła i siły elektrycznej’ są maszyny wytwarzające prądy indukcyjne. W bezinteresownych wysiłkach Faradaya tkwi źródło miliardowych obrotów współczesnego nam przemysłu elektrotechnicznego. Istotę zjawiska wyjaśnia rys. 3. Gdy do przewodnika kołowego będziemy zbliża-li (lub oddalali) magnes NS, w przewodniku powstanie prąd indukcyjny, a więc ruch nabojów elektrycznych. Tam zaś, gdzie są naboje elektryczne, muszą działać siły elektryczne E. Przy zbliżaniu i oddalaniu magnesu zmienia się natężenie pola magnetycznego H w obrębie przewodnika kołowego. Dla ułatwienia szybkość zmiany pola magnetycznego możemy oznaczać przez H’.

Ujmując nasz wynik w formę bardziej obrazową (nie mamy pretensji do ścisłości matematycznej), powiemy: zmiana H’ pola magnetycznego wytwarza wir pola elektrycznego E (przez wir rozumiemy obieg zamknięty, jaki spotykamy nieraz w prądach rzek).

Ci spośród Czytelników, którym nieobce są elementarne wiadomości o prądzie elektrycznym, przypomną sobie obraz następujący. Gdy przewodnik, po którym płynie prąd o natężeniu i przechodzi przez kartkę papieru posypaną opiłkami żelaznymi, układają się one wzdłuż okręgów kół współśrodkowych, co dowodzi, że siły magnetyczne są styczne do kół. Ujmując najogólniej zagadnienie, powiemy: prąd elektryczny wytwarza wir pola. magnetycznego.

Jeżeli mamy do czynienia z prądem zmiennym i w obwód prądu włączymy kondensator, doświadczenie pokazuje, że prąd w obwodzie płynie, chociaż między okładkami kondensatora mamy nieprzewodnik — dielektryk. Kondensator ładuje się i rozładowuje, a w dielektryku powstaje zmienne pole elektryczne. Maxwell przyjął, że to właśnie zmienne pole elektryczne stanowi kontynuację prądu elektrycznego płynącego w przewodniku i że — podobnie jak prąd przewodowy — wywołuje i ono w otoczeniu powstanie wirowego pola magnetycznego. Maxwell poszedł dalej jeszcze — przyjął mianowicie, że i w próżni zmiany pola elektrycznego wywołują powstanie wirowego pola magnetycznego. Szybkość zmiany pola elektrycznego w di-elektryku czy w próżni odpowiada, według Maxwella, natężeniu prądu przewodzonego w prze-wodniku. W dielektryku czy w próżni możemy więc mieć do czynienia z czymś, co zachowuje się pod względem magnetycznym jak prąd prze-wodzony ; Maxwell mówi w tych przypadkach o prądach przesunięcia. Oznaczmy szybkość zmian pola elektrycznego przez E; uogólniając, pisze Maxwell: zmiana E pola elektrycznego wytwarza zawsze — nawet w próżni — wir pola magnetycznego H.

Porównajmy dwie wyżej napisane formuły. Widzimy, że siły elektryczne i magnetyczne występują w nich zupełnie symetrycznie. Możemy powiedzieć, że teoria Maxwella to teoria dwu wirów, elektrycznego i magnetycznego, oraz wzajemnego sprzężenia sił elektrycznych i magnetycznych.

Jak widzieliśmy, Maxwell założył istnienie prądów przesunięcia i w nieprzewodnikach (izolatorach), a nawet w próżni. Było to przypuszczenie śmiałe, niemal zuchwałe, gdyż pozbawione wówczas dostatecznych podstaw doświadczalnych. Z teorii Maxwellowskiej wynikał niespodziewany wniosek: zmiany w natężeniu pól magnetycznych i elektrycznych muszą rozchodzić się w przestrzeni na podobieństwo fal; innymi słowy — zakłócenie równowagi sił elektrycznych musi prowadzić do wytworzenia fali elektromagnetycznej. Przeskakiwanie iskry elektrycznej musi np. wytwarzać w pewnych warunkach drgania i fale elektryczne.

Teoria Maxwella zrazu znalazła niezbyt licznych zwolenników. Matematycznie była niełatwa ; podstawy doświadczalne jednego z założeń były kruche. Dopiero gdy H. Hertz (1857—1894) wykrył istnienie fal elektromagnetycznych, którymi posługuje się dziś radiotechnika, gdy stwierdził, że wszystkie przewidywania wypływające z równań Maxwella zgadzają się z doświadczeniem, ogólny entuzjazm świata naukowego zastąpił uprzednią obojętność.

Po wiekopomnym odkryciu Hertza zdawało się, że idee Faradaya i Maxwella odniosły triumf bezwzględny, że istota zjawisk tkwi w polach elektrycznych i magnetycznych, powstających w dielektrykach i w próżni, że zupełne usunięcie pojęć o ładunkach elektrycznych dodatnich i ujemnych jest tylko kwestią czasu.

Przełom XX w. Dalszy rozwój nauki poszedł jednak w kierunku zupełnie odmiennym. Zjawiska odkryte i gruntownie zbadane na przełomie XIX i XX w. pozwoliły stwierdzić, że atomy, z których składa się wszelka materia, zbudowane są z cząstek mających ładunki elektryczne dodatnie i ujemne. Badając .przechodzenie prądów elektrycznych przez gazy pod ciśnieniem zwykłym i pod ciśnieniem znacznie zmniejszonym, rozpatrując wykryte niemal na przełomie stulecia zjawiska promieniotwórczości, ujmując w jednolitą teorię wysyłanie i pochłanianie światła przez materię, stworzono teorię budowy atomu. Okazało się, że atom składa się z części centralnej o ładunku dodatnim, czyli jądra, i z otaczających je elektronów niosących ładunki ujemne.

Nauczono się rozbijać i przetwarzać jądra atomów, przy czym stwierdzono, że jedną z pod-stawowych cegiełek struktury wszelkich jąder stanowią jądra najlżejsze — wodorowe, które otrzymały nazwę protonów.

Niezmiernej doniosłości faktem było wykrycie, że wszelkie ładunki elektryczne, tak dodatnie, jak ujemne, są wielokrotnościami pewnego ładunku elementarnego, atomu elektryczności. Proton niesie dodatni atom elektryczności, elektron — taki sam ładunek ujemny. Uderza- jednak asymetria pomiędzy protonem a elektronem. Masa protonu jest 1839 razy większa od masy elektronu.

Przez wiele lat, aż do 1932 r., sądzono, że protony i elektrony są jedynymi zasadniczymi cząstkami elementarnymi, podstawowymi cegiełkami budowy materii; uważano, że wyłącznie z protonów i elektronów składa się wszelka materia, a więc i jądra atomów. Znaczyłoby to, że naboje elektryczne dodatnie i ujemne odgrywają podstawową rolę w budowie materii.

Jednakże badania przeprowadzone przez fizyków francuskich, F. Joliot-Curie i jego żonę Irenę (córkę M. Skłodowskiej-Curie), w Paryżu, a następnie przez J. Chadwicka w laboratorium E. Rutherforda w Cambridge, doprowadziły do wykrycia w 1932 r. nowej cegiełki elementarnej, neutronu, który jest cząstką, elektrycznie obojętną. Wiemy dziś, że wszystkie jądra atomowe składają się z neutronów i protonów, związanych z sobą specyficznymi siłami jądrowymi, których natura dotąd nie jest dokładnie znana.

Badacz amerykański C. D. Anderson wykrył w 1932 r. istnienie nietrwałych pozytonów — dodatnio naładowanych cząstek o masie równej masie elektronu, których nabój równy jest dodatniemu ładunkowi elementarnemu. W 1955 r. wykryto nietrwałe również antyprotony, cząstki o masie równej masie protonu, lecz niosące ujemny nabój elementarny. Wykryto także nietrwałe cząstki — mezony — o masach pośrednich między masą elektronu a masą protonu. Znamy dziś różne rodzaje mezonów: niosące naboje elementarne dodatnie, ujemne i mezony nienaładowane. Znamy też elementarne cząstki o masie większej od masy protonu — hiperony; również i hiperony niosą naboje elementarne dodatnie, ujemne, bądź też są elektrycznie obojętne. Wykryto wreszcie antyhiperony i antyneutrony. Okazuje się więc, że zagadnienie budowy materii jest o wiele bardziej skomplikowane, niż myślano w pierwszym ćwierćwieczu XX stulecia.

Niewątpliwie jednak naboje elektryczne elementarne, dodatnie i ujemne, odgrywają w budowie materii zasadniczą rolę i dla uwzględnienia tej roli nie wystarczają już dzisiaj klasyczne idee Maxwella i Faradaya.

Dzisiejszy nasz pogląd na zjawiska elektromagnetyczne jest następujący. Elementarne ładunki dodatnie i ujemne są czymś podstawowym, pierwotnym, nie dającym się sprowadzić do żadnych innych wyobrażeń. Różne własności materii dają się wytłumaczyć siłami elektrycznymi działającymi pomiędzy jądrami atomów i elektronami krążącymi wokół jąder, jak również siłami elektrycznymi działającymi pomiędzy atomami. Jednakże same siły elektryczne nie pozwalają wytłumaczyć budowy jąder atomowych i istnienia szeregu nowych dzisiaj cząstek elementarnych. Ładunki elektryczne wytwarzają pola elektromagnetyczne (magnetyzm niewątpliwie wynika z ruchu ładunków elektrycznych) w dielektrykach i w próżni. Zgodnie z. poglądami Faradaya i Maxwella, uznajemy doniosłą rolę ośrodka nieprzewodzącego w zjawiskach rozchodzenia się sił elektrycznych i magnetycznych, odrzucamy jednak możność i potrzebę wprowadzania mechanicznych obrazów, ilustrujących właściwości pól elektromagnetycznych.

Elektryfikacją pewnego obiektu przemysłowego lub dziedziny życia gospodarczego nazywamy zastosowanie energii elektrycznej jako jedynego lub głównego nośnika -dla zaspokajania potrzeb energetycznych. Tak więc, mówiąc o elektryfikacji kopalń węgla kamiennego, mamy na myśli zastąpienie napędów parowych i napędów sprężonym powietrzem (zwłaszcza na dole kopalni) urządzeniami i aparatami o napędzie elektrycznym. Podobnie elektryfikacja fabryki lub warsztatu oznacza wyrugowanie napędów parowych lub spalinowych i zastąpienie ich napędem silnikami elektrycznymi, a elektryfikacja kolei to zastąpienie trakcji parowej trakcją elektryczną.

Nieco innego, szerszego znaczenia nabiera pojęcie elektryfikacji, jeśli odnosi się do całego kraju lub jego regionu. Mamy wówczas na myśli nie tylko stosowanie energii elektrycznej, lecz również wszelkie zagadnienia związane z jej wytwarzaniem, przesyłaniem i rozdziałem.

Jako wskaźnik stopnia elektryfikacji kraju przyjmuje się zazwyczaj wielkość jednostkowego spożycia energii elektrycznej, wyrażającą się liczbą kWh przypadających rocznie na 1 mieszkańca. Tabela 1 przedstawia jednostkowe spożycie brutto w różnych krajach w latach 1956 i 1965, a tabela 2 podaje kształtowanie się tego wskaźnika w Polsce od 1928 do 1966 r. oraz wielkości planowane na lata 1970 i 1980.

Jak większość wskaźników pretendujących do scharakteryzowania jedną liczbą złożonego i zawiłego- zjawiska gospodarczego, tak też i wskaźnik spożycia energii daje tylko bardzo ogólne i niepełne wyobrażenie o stanie elektryfikacji kraju. Ujmuje on bowiem zjawisko jedynie ilościowo, nie mówiąc nic o tym, do jakich celów jest użytkowana energia elektryczna i przez jakie grupy odbiorców.

Dla lepszego więc zilustrowania postępów elektryfikacji naszego kraju w ostatnich latach tabela 3 podaje kilka wskaźników charakteryzujących dynamikę zużycia energii w poszczególnych dziedzinach gospodarki narodowej.

Proces elektryfikacji kraju w pierwszym okresie swego rozwoju następuje — jak to się mówi — „wszerz”, co oznacza, że budując elektryczne sieci przesyłowe i rozdzielcze na nowych terenach udostępnia się ich mieszkańcom i zakładom pracy na nich położonym korzystanie z energii elektrycznej. Na terenach nowo przyłączonych odbiorcy nie przyzwyczajeni jeszcze do wygód i dobrodziejstw, jakie przedstawia korzystanie z tzw. popularnie elektryczności (lub prądu elektrycznego), używają jej przede wszystkim do oświetlania, do radia, a więc tam gdzie jej zastosowanie jest najbardziej atrakcyjne. Taka właśnie sytuacja ma obecnie miejsce w większości nowo zelektryfikowanych wsi polskich.

Po tym wstępnym okresie przyzwyczajania się do „elektryczności” następuje drugi etap, zwany przez fachowców „elektryfikacją w głąb”. Jest to okres, w którym ogólne spożycie energii elektrycznej wzrasta nie wskutek zwiększania się liczby odbiorców, lecz w wyniku rozszerzania przez dołączonych już uprzednio odbiorców zakresu stosowania energii elektrycznej i — co za tym idzie — bogatszego wyposażania instalacji odbiorczych w różne aparaty i urządzenia elektryczne. Ten drugi okres elektryfikacji — jak na to wskazują doświadczenia krajów bardziej zaawansowanych — zdaje się nie posiadać kresu nasycenia. Wraz bowiem z postępem technicznym powstają coraz to nowe dziedziny zastosowania energii elektrycznej, ułatwiającej życie i pracę w gospodarstwie domowym, w biurach, warsztatach i fabrykach.