Главная › Новости

Что такое электричество

Опубликовано: 03.09.2018

Что такое электричество?

Что приходит вам в голову, когда вы слышите слово «электричество» или «электрический»? Один человек представит себе розетку, другой - линию электропередач, трансформатор или сварочный аппарат, рыбак подумает о молнии, домохозяйка вспомнит пальчиковую батарейку или зарядное устройство для мобильного телефона, токарь - электродвигатель, а кто-нибудь и вовсе представит Николу Тесла, сидящего в своей лаборатории возле извергающей молнии индукционной катушки, испытывающей резонанс.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО - как оно возникает | Электроника для начинающих #1

Так или иначе, проявлений электричества в современном мире очень много. Цивилизацию сегодняшнего дня вообще невозможно представить без электричества. Однако что мы знаем о нем? Давайте освежим в памяти эти сведения.

Что такое электричество, или электротехника для чайников

От электростанции — к электроприбору

Когда мы у себя дома вставляем вилку в розетку, включая электрочайник, или нажимаем на выключатель, привычно желая зажечь электрическую лампочку, то в этот момент мы замыкаем электрическую цепь между источником и приемником электричества , чтобы предоставить электрическому заряду путь для движения, например через спираль чайника.

Источником электричества у нас дома, как правило, является розетка. Движущийся через проводник (которым в нашем примере является нихромовая спираль чайника) электрический заряд — это и есть электрический ток . Проводник соединяет розетку с потребителем двумя проводами: по одному проводу заряд движется от розетки - к потребителю, по второму проводу в этот же самый момент — от потребителя — к розетке. Если ток переменный, то провода меняются ролями по 50 раз каждую секунду.

Источником энергии для движения электрических зарядов (или проще говоря - источником электричества) в городской сети прежде всего выступает электростанция. На электростанции электричество вырабатывается посредством мощного генератора , ротор которого приводится во вращение ядерной установкой или силовой установкой другого типа (например гидротурбиной).

Внутри генератора намагниченный ротор пересекает провода статора, наводя в них электродвижущую силу (ЭДС) , порождающую напряжение между выводами генератора. И это всегда именно переменное напряжение с частотой 50 Гц , поскольку ротор генератора имеет 2 магнитных полюса и вращается с частотой 3000 оборотов в минуту, либо имеет 4 полюса и частоту вращения 1500 оборотов в минуту.

От трансформаторов электростанций сверхвысокое переменное напряжение величиной 110, 220 или 500 киловольт подается на провода высоковольтных линий электропередач (ЛЭП) , с которых оно затем поступает на понижающие подстанции, где с помощью трансформаторов в конце концов и понижается до уровня бытовых сетей - 220 вольт.

Это и есть напряжение в нашей розетке, которым мы пользуемся каждый день, даже не задумываясь о длинном пути, который преодолевает электричество от электростанции до нашей розетки со скоростью света (299792458 метров в секунду — скорость распространения по проводам электрического поля, которое толкает внутри них электроны, создавая ток).

Переменное напряжение 220 вольт в розетке

Генерируемое для розеток напряжение является переменным потому, что: во-первых, его легко можно трансформировать (понизить или повысить), а во-вторых генерируется оно проще и передается с меньшими потерями в проводах, чем постоянное.

Подавая на провода, к которым присоединен трансформатор , переменное напряжение, мы получаем переменный ток , который гармонически изменяя свое направление 50 раз в секунду, способен генерировать в магнитопроводе трансформатора переменное магнитное поле, которое в свою очередь опять же способно возбуждать электрический ток в проводах вторичных обмоток, обвивающих магнитопровод…

Если бы магнитное поле было постоянным в пространстве, охваченном обмоткой, то ток бы в обмотках просто не навелся (см. закон электромагнитной индукции ).

Чтобы получить ток, необходимо изменять магнитный поток в пространстве, тогда вокруг получится электрическое поле , оно станет действовать на электрический заряд, который например может находится внутри медного провода (свободные электроны), расположенного вокруг этого пространства с изменяющимся магнитным потоком.

На данном принципе основана работа как генераторов, так и трансформаторов, с той лишь разницей, что в трансформаторе отсутствуют движущиеся рабочие части: источником переменного магнитного потока в трансформаторе выступает переменный ток первичной обмотки, а в генераторе — вращающийся ротор с постоянным магнитным полем.

И там и там изменяющееся магнитное поле по закону электромагнитной индукции порождает вихревое электрическое поле, которое действует на свободные электроны внутри проводников, приводя эти электроны в движение. Если цепь замкнуть на потребитель — получится ток через потребитель.

Накопление электричества и постоянный ток

Накапливать электричество в быту удобнее всего в форме химической энергии, а именно в аккумуляторах . Химическая реакция меду электродами способна создать ток при замкнутой на потребитель внешней цепи, и чем больше площадь электродов аккумулятора — тем больший ток может быть от него получен, а в зависимости от материала электродов и от количества соединенных последовательно внутри аккумулятора ячеек — генерируемое аккумулятором напряжение может быть разным.

Так, для литий-ионного аккумулятора стандартное напряжение одной ячейки составляет 3,7 вольта и может достигать 4,2 вольта. Положительно заряженные ионы лития при разряде движутся в электролите от анода(-) на основе меди и графита — к катоду(+) на основе алюминия, а при заряде — от катода — к аноду, где под действием ЭДС зарядного устройства образуется соединение графита с литием, в результате чего и накапливается энергия в форме химического соединения.

Похожим образом работают электролитические конденсаторы, отличающиеся от аккумуляторов меньшей электроемкостью, но большим количеством жизненных циклов заряда-разряда.

Для литий-ионного аккумулятора продолжительность полноценной жизни ограничивается максимум 1000 циклами заряда-разряда, а удельная энергоемкость достигает 250 Втч/кг. Что касается электролитических конденсаторов, то их ресурс работы на выпрямленном токе исчисляется десятками тысяч часов, но энергоемкость обычно менее 0,25 Втч/кг.

Статическое электричество

Если шелковую простыню постелить на шерстяное покрывало, хорошенько прижать их друг к другу, а затем попытаться развести в стороны, то возникнет электризация . Это случится потому, что в условиях трения тел с разной диэлектрической проницаемостью произойдет разделение зарядов на их поверхностях: материал с большей диэлектрической проницаемостью зарядится положительно, а с меньшей диэлектрической проницаемостью — отрицательно.

Чем больше разница этих параметров — тем сильнее электризация. При трении ногами о шерстяной ковер, вы заряжаетесь отрицательно, а ковер — положительно. Уровни потенциалов могут достигать здесь десятков тысяч вольт, и дотронувшись например до водопроводного крана, соединенного с чем-нибудь заземленным, вы испытаете удар током. Но поскольку электроемкость мизерна, это неприятное событие не окажется крупной угрозой для вашей жизни.

Другое дело — электрофорная машина, в которой статический заряд, получаемый трением, накапливается в конденсаторе. Накопленный в лейденской банке заряд уже опасен для жизни.