Как работает электричество, электризация
Положительный и отрицательный ионы
Как уже было отмечено, по умолчанию, атом электрически нейтрален: положительный и отрицательный заряды равны. Они компенсируют другу друга. Но, если, вдруг, представить себе, что хотя-бы один электрон покинет сове место в атоме, то суммарный положительный электрический заряд протонов превысит отрицательный заряд всех оставшихся электронов. Поэтому такой атом в целом имеет свойства положительного заряда и называется положительный ион.
Электризация
Атом, получивший дополнительный электрон, будет иметь в преобладающей степени отрицательный заряд. В этом случае атом называется отрицательный ион.
Следует заметить, что не только атом будет иметь положительный или отрицательный заряд, но и молекула, а соответственно и вещество, которое содержит данный атом.
Электризация
Электризацией называют процесс получения дополнительного электрона, либо наоборот его потерю. Если какое-либо тело имеет избыток или нехватку электронов, то есть явно выраженный заряд какого либо знака, то говорят, что тело наэлектризовано.
Опытным путем установлено, что заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются. Подобный опыт можно повторить следующим очень известным образом: подвесить на нити два металлических шарика, которые изначально имеют нейтральный заряд. Далее придать одному шарику положительный заряд, а второму отрицательный. В результате шарики притянутся друг к другу. Если двум шарикам сообщить заряд одного знака, то они будут отталкиваться.
Электризация трением
А вот, при натирании стеклянной палочки шелком, все происходит наоборот. Электроны поверхностного слоя стекла покидают палочку. В этом случае стеклянная палочка приобретает положительный заряд за счет перевеса суммарного заряда протонов.
Электризация металла
Если мы возьмем хорошо проводящий материал, например кусок металла, то при натирании его о диэлектрик, образовавшийся на поверхности металла заряд, мгновенно уйдет в землю через наше тело и другие предметы. Поскольку в отличии от рассматриваемых диэлектриков наше тело обладает относительно хорошей проводимостью и по нему сравнительно легко перемещаются заряды.
Опыт электризации трением не получится оценить и в том случае, когда мы возьмём два металлических предмета даже с хорошо изолированными рукоятками. При взаимном трении металл об металл, как и в предыдущих опытах возникнут свободные электроны. Однако вследствие наличия неизбежной шероховатости поверхностей, не получится одновременно по всей поверхности отделить оба металлических предмета. Так, в последней точке соприкосновения двух поверхностей электроны перетекут через так называемый «мостик» пока их количество снова не станет таким же, как и до натирания.
Статическое электричество
Итак, теперь нам известно, что при натирании рассмотренных предметов, некоторые электроны получают избыточную энергию. Затем они покидают атомы одного тела, которое становится положительно заряженным. Эти электроны занимают места на орбитах атомов другого вещества. Которое, в свою очередь, приобретает свойства отрицательного заряда. При этом одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные – притягиваются. Силы, порождаемые зарядами, называются электрическими. А сам факт наличия электрических зарядов и их взаимодействие называют электричество.
В рассмотренных примерах получают так называемое статическое электричество.
Электрическая сила
В процессе электризации к заряженной пластмассовой палочке будут сами собой притягиваться кусочки бумаги. Почему это происходит?
Попробуем раскрыть тайну физического процесса. Она заключается в следующем. При поднесении заряженного тела к незаряженному телу под действием электрических сил происходит перемещение электронов к одному из краев тела. И этот край тела ввиду избытка электронов становится отрицательно заряженным. А противоположный край, соответственно, положительно заряженным. Средняя часть тела будет нейтрально заряженной. Таким образом, заряды смещаются по краям данного тела.
Ближе к поднесенному заряженному телу будут стремиться заряды противоположного знака. Например, если палочка заряжена положительно, то к ней притянется бумага. Той поверхностью, на которой скопились отрицательные заряды. И наоборот.
Формула закона Кулона
Великие открытия 18-19 веков
Исследования в области электричества были успешно продолжены другими учеными. Так в 1707 году французский физик Дю Фей обнаружил разницу между электричеством, получаемым от трения о разные материалы. Для экспериментов использовались круги из стекла и древесной смолы.
В 1729 году английскими учеными Греем и Уилером было установлено, что отдельные виды веществ способны пропускать сквозь себя электричество. Именно с их открытия все тела начали разделяться по типам и называться проводниками и непроводниками электричества. В этом же году голландский физик Мушенбрук из Лейдена сделал грандиозное открытие. В ходе опытов со стеклянной банкой, закрытой с двух сторон листами станиоля, было установлено, что такой сосуд способен накапливать электричество. По месту проведения эксперимента данный прибор был назван лейденской банкой.
Большой вклад в науку внес американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин. Он доказал теорию совместного существования положительного и отрицательного электричества, объяснил процессы, происходящие во время зарядки и разрядки лейденской банки. Было установлено, что свободная электризация обкладок этого прибора может происходить под действием разных электрических зарядов. Бенджамин Франклин много времени уделял изучению атмосферного электричества и доказал с помощью громоотвода возникновение молнии от разности электрических потенциалов.
В 1785 году французским ученым Шарлем Кулоном был открыт закон, описывающий электрическое взаимодействие между точечными зарядами. Открытие точного физического закона произошло без сложного лабораторного оборудования, с помощью лишь стальных шариков. Для определения расстояния и силы взаимодействия использовались такие же крутильные весы, как и при исследованиях сил тяготения между двумя телами. Ученый не пользовался абсолютной величиной электрических зарядов, он просто брал два одинаковых заряда или неодинаковые, но с заранее известной разницей их величины.
Важное открытие в области электричества было сделано итальянским ученым Алессандро Вольта в 1800 году. Этим изобретением стала химическая батарея, состоящая из круглых серебряных пластинок, переложенных кусками бумаги, предварительно смоченных соленой водой
Химические реакции, возникающие в батарее, способствовали регулярному вырабатыванию электрического тока.
В 1831 году знаменитый английский физик Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, и на ее основе первым в мире изобрел электрический генератор. С именем Майкл Фарадей связаны понятия электрического и магнитного поля, изобретение простейшего электродвигателя.
Вся история электричества была бы неполной без выдающегося изобретателя Николы Тесла, работавшего на рубеже 19-20 веков и значительно обогнавшего свое время. Свои исследования в области магнетизма и электричества он постоянно переводил в практическую плоскость. Приборы, созданные гениальным ученым, до сих пор считаются уникальными и неповторимыми.
В течение всей своей жизни, посвященной изучению возможностей электричества, Тесла зарегистрировал множество патентов, сделал открытия, ставшие прорывом в электротехнике. Большинство изобретений и открытий, так или иначе до сих пор используются в повседневной жизни. Из наиболее известных работ следует отметить вращающееся магнитное поле, позволяющее использовать переменный ток в электродвигателях без преобразования в постоянный ток. Также Тесла создал двигатель переменного тока, на основе которого в дальнейшем был создан генератор переменного тока. Эти и другие открытия успешно использовались во многих технических решениях.
Ученых, сделавших весомый вклад в развитие науки об электричестве, можно перечислять очень долго. В завершение хочется отметить Георга Ома, который в ходе экспериментов вывел основной закон электрической цепи. Благодаря Ому появились такие термины, как электродвижущая сила, проводимость, падение напряжения и другие. Не менее известен Ампер Андре-Мари, придумавший правило правой руки для определения направления тока на магнитную стрелку. Ему принадлежит и конструкция усилителя магнитного поля, представляющего собой катушку с большим количеством витков. Эти и другие ученые много сделали для того, чтобы человечество в полной мере пользовалось теми благами, которые дает электричество.
Электричество из воздуха своими руками
Электричество из земли
Электричество из магнита
Как получить электричество из картошки
Как снять статическое электричество
Электричество в доме
1.2. Пассивные элементы схемы замещения
Простейшими пассивными элементами схемы замещения являются сопротивление, индуктивность и емкость.
В реальной цепи электрическим сопротивлением обладают не только реостат или резистор, но и проводники, катушки, конденсаторы и т.д. Общим свойством всех устройств, обладающих сопротивлением, является необратимое преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая энергия, выделяемая в сопротивлении, полезно используется или рассеивается в пространстве. В схеме замещения во всех случаях, когда надо учесть необратимое преобразование энергии, включается сопротивление.
Сопротивление проводника определяется по формуле
(1.1)
где l — длина проводника;
S — сечение;
ρ — удельное сопротивление.
Проводимость
—
это величина, обратная сопротивлению.
Сопротивление измеряется в омах (Ом), а проводимость — в сименсах (См).
Сопротивление пассивного участка цепи в общем случае определяется по формуле
где P — потребляемая мощность;
I — ток.
Сопротивление в схеме замещения изображается следующим образом:
Индуктивность
—
это идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность цепи накапливать магнитное поле. Полагают, что индуктивностью обладают только индуктивные катушки. Индуктивностью других элементов электрической цепи пренебрегают.
Индуктивность катушки, измеряемая в генри , определяется по формуле
где W — число витков катушки;
Ф — магнитный поток катушки, возбуждаемый током i.
На рисунке показано изображение индуктивности в схеме замещения.
Емкость
—
это идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность участка электрической цепи накапливать электрическое поле. Полагают, что емкостью обладают только конденсаторы. Емкостью остальных элементов цепи пренебрегают.
Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах (Ф), определяется по формуле:
где q — заряд на обкладках конденсатора;
Uс — напряжение на конденсаторе.
На рисунке показано изображение емкости в схеме замещения
Что собой представляет ВРУ
В принципе, по внешнему виду ВРУ сложно отличить от других ящиков, используемых в электрике. К примеру, тот же распределительный щит очень похож на ВРУ. Хотя, по сути, оба устройства выполняют практически одни и те же функции. Итак. ВРУ – это металлический ящик или щит с односторонней панелью. Именно такая модель чаще всего используется в жилом фонде. Правда, необходимо обозначить, что количество панелей может быть без ограничения, к тому же сами устройства могут быть собраны в секции, что увеличивает удобство их эксплуатации, плюс сокращает место установки.
Вводно-распределительное устройство имеет два вида исполнения: напольное и подвесное. Именно проектная документация определяет, какой вид будет установлен на объекте. Кстати, о панелях. На них устанавливаются все необходимые приборы, то есть здесь проводится комплектация самого ВРУ. Добавим, что по количеству вводов устройства могут быть с двумя вводами, с одним или несколькими.
Есть определенные стандарты, которые определяют сборку устройства.
Схема ВРУ
- Сила тока (ударного) при замыкании не должна превышать 20 кА.
- Изоляция должна выдерживать номинальное напряжение не больше 1000 В.
Как и в случае с любыми электрическими устройствами, приборами и установками, ВРУ может производится под определенные климатические условия их эксплуатации.
Советы начинающим
Чтобы получить начальное представление об электричестве и принципах работы устройств с его применением, рекомендуется пройти специальный курс или изучить пособие «Электротехника для начинающих». Подобные материалы разработаны специально для тех, кто пытается с нуля освоить данную науку и получить необходимые навыки для работы с электрооборудованием в быту.
Советы начинающим электрикам
В пособии и видеоуроках подробно рассказывается, как устроена электрическая цепь, что такое фаза, а что такое ноль, чем отличается сопротивление от напряжения и силы тока и так далее
Отдельное внимание уделяется технике безопасности, чтобы избежать травм при работе с электроприборами
Конечно, изучение курсов или чтение пособий не позволит стать профессиональным электриком или электромонтером, но решить большинство бытовых вопросов по итогам освоения материала будет вполне по силам. Для профессиональной работы требуется уже получение специального допуска и наличие профильного образования. Без этого выполнять должностные обязанности запрещается различными инструкциями. Если же предприятие допустит человека без необходимого образования к работе с электрооборудованием, и он получит травму, руководитель понесет серьезное наказание, вплоть до уголовного.
- https://elquanta.ru/teoriya/ehlektrotekhnika-dlya-nachinayushhikh.html
- https://amperof.ru/teoriya/osnovy-elektrotexniki.html
- https://panelektro.ru/ampery/kak-nauchitsya-razbiratsya-v-elektrike.html
- https://rusenergetics.ru/polezno-znat/formuly-elektrichestva
- https://elesant.ru/osnovy-elektriki/zakony-elektrotexniki
С
САЦ — ситуационно-аналитический центр
СБП — система бесперебойного питания
СЗ — степень загрязненности атмосферы
СИ — средство измерений
СИП — самонесущий изолированный провод
СКРМ — средства компенсации реактивной мощности
СН — среднее напряжение
СОЕВ — система обеспечения единого времени
СОПТ — система оперативного постоянного тока
СОУЭ — система оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре
СПЗ — совмещенное производственное здание
СПЭ — сшитый полиэтилен
СРН — средство регулирования напряжения
ССПИ — система сбора и передачи информации
ССЭСК — сеть связи электросетевого комплекса
ССС — сеть спутниковой связи
СТАТКОМ — статический компенсатор на базе преобразователей напряжения
СТК — статический тиристорный компенсатор
СТО — стандарт организации
СУОТ — система управления охраной труда
СУПА — система управления производственными активами
СУ (ЭСК) — ситуационное управление в электросетевом комплексе
Что такое электричество?
Электрический ток – это направленное движение отрицательно заряженных частиц (электронов) в замкнутой электрической цепи. Интенсивность протекания электроэнергии по проводнику называют током. Ток измеряют в Амперах (А).
Электрический ток проводят все вещества на свете, но проводимость у всех разная. Вещества, имеющие высокую проводящую способность, называют проводниками. Вещества, имеющие проводящую способность на порядки ниже, называют диэлектриками.
Обязательным условием возникновения тока (в школе мы его знали, как силу тока) является источник электрической энергии, а также разность потенциалов между полюсами источника. Напряжение – это и есть разность потенциалов источника электроэнергии. Напряжение измеряют в Вольтах (В).
В зависимости от материала, длины, а также сечения различные проводники имеют разные свойства, которые влияют на сопротивление проводника току. Свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока называют сопротивлением. Сопротивление измеряется в Омах (Ом).
Ещё один необходимый термин – это мощность. Мощность источника характеризует скорость передачи или преобразования электроэнергии. Мощность измеряется в Ваттах (Вт, W).
Основные формулы расчёта электрических цепей
Для выбора источника электроэнергии, проводника и пр. выполняются расчёты:
Закон Ома устанавливает связь между током (I), напряжением (U) и сопротивлением (R). Ток, протекающий в цепи, прямо пропорционален напряжению на концах участка цепи и обратно пропорционален сопротивлению этой цепи: I=U/R.
Для оценки энергетических возможностей выполнения работы в электрических цепях (т.е. электрической мощности (Р)) используется следующая формула: P=I*U*cosф,
где cosф – это коэффициент индукционной составляющей мощности; учитывается, когда в цепи есть потребители индуктивной электроэнергии (дроссели, катушки, дроссельные светильники); в остальных случаях этот коэффициент равен 1 и формула принимает следующий вид: P=I*U.
Электрическое напряжение
Разность потенциалов источника электрического тока называется электрическим напряжением. Электрическое напряжение измеряется в вольтах (В). Измеряется вольтметром, который подключается параллельно нагрузке или полюсам источника питания.
Напряжение между линейным и нулевым проводом называется фазное напряжение и равно 220 Вольт (Uф). Напряжение между двумя линейными проводами называется линейное напряжение и равно 380 Вольт (Uл).
Uл=√3Uф=1,73*220В=380В
В обычной сети линейное напряжение 380В, а фазное 220В. Встречаются еще и старые сети, в которых линейное напряжение 220В, а фазное 127В.
Ограничители электрического тока
В некоторых электронных устройствах требуется ограничение электрического тока. Чтобы этого добиться, в цепь встраивают специальный ограничивающий прибор — резистор. Являясь потребителем, а не производителем тока, он эффективно справляется с функцией разделения напряжения и линий входа (выхода). Применяется как дополнение активных элементов интегральных схем.
Разновидностей резисторов очень много. В зависимости от конструкции, технических показателей и состава они бывают:
- Линейными. Сопротивление остаётся постоянным вне зависимости от разницы потенциалов, прикладываемых к таким резисторам. Характеризуются прямой вольт-амперной линией.
- Нелинейными. Сопротивление зависит от разницы прикладываемого напряжения или проходящего тока. Резисторы такого типа работают в нестрогом соответствии с законом Ома, имеют нелинейную характеристику. Используются в робототехнических проектах в роли датчиков.
- Переменными. Оснащаются специальным валом, позволяющим изменять параметры сопротивления в процессе эксплуатации.
- Постоянными. Заданные в них показатели изменить нельзя.
- Углеродными. Сердечники внутри таких резисторов изготавливаются из углерода, имеют чашеобразные контакты. Из-за пористого корпуса чувствительны к влажности окружающей среды.
- Плёночными. Производятся путём осаждения распылённого металла на керамическую основу. Отличаются высокой надёжностью, поэтому успешно применяются в основных электронных системах.
- Проволочными. Их конструкция состоит из керамического сердечника и проволочной обмотки, изготовленной из разных металлических сплавов. Состав сплавов зависит от требующегося сопротивления. Показывают стабильную работу при большой мощности.
- Металлокерамическими. Для их изготовления используется смесь керамики и обожжённых металлов. Процентное соотношение тех или иных компонентов определяет уровень сопротивления.
- Плавкими. В нормальном режиме работы они выполняют роль ограничителей. При возрастании номинальной мощности функционируют как предохранители, защищая электрическую цепь от короткого замыкания.
- Теплочувствительными. Могут выдавать как положительный, так и отрицательный коэффициент в зависимости от колебаний температуры.
- Светочувствительными. Главным фактором, влияющим на их работу, является интенсивность падающего светового потока. Чем ярче свет, тем меньше сопротивление резистора.
В отношении резисторов, меняющих сопротивление в процессе работы, используется такой термин, как допуск, измеряемый в процентах. Он показывает, насколько изменяющиеся показатели близки к номинальным значениям. К примеру, устройство с номинальным электрическим сопротивлением 500Ω и допуском 10% на практике может выдавать значения в диапазоне от 550 до 450Ω.
Общее устройство и работа ЩСУ
Щит станций управления является низковольтным комплектным устройством, изготавливаемым в шкафном или многошкафном исполнении. Типовая сборка ЩСУ состоит из блоков Б5000, БМ5000, Б8000. Каждый шкаф может состоять из четырех или пяти секций. В двух секциях располагаются частотные пускатели, а в остальных – различные виды пускорегулирующих устройств.
Конструкция, состоящая из одного шкафа, может быть выполнена в двух вариантах:
- В первом случае шкафы комплектуются блоками типа Б, устанавливаемых в общую конструкцию ЩСУ. Внешние управляющие и управляемые устройства соединяются между собой через эти блоки с помощью пружинных или винтовых зажимов.
- Во втором варианте используются блоки модульной серии БМ, которые также включаются в общую конструкцию щита. Однако, в данном случае, применение модульных элементов позволяет отключать, снимать или заменять любой из модулей, не останавливая работу всего щита и подключенных устройств.
Щиты многошкафные включают в себя комплект шкафов, в каждом из которых имеются блоки, предназначенные для выполнения однотипных функций. Они обеспечивают ввод и распределение электроэнергии, контролируют и обрабатывают параметры, осуществляют управление и защиту, обмениваются сигналами. Каждый такой щит по своей сути является законченным низковольтным комплектным устройством.
Законы Кирхгофа
Электрика любого помещения выполняется в виде замкнутых, рабочих электрических цепей. Два главных закона, которые определяют процессы в электрических сетях, являются законы Кирхгофа. Их два. Оба из них применяются и для постоянных и для переменных токов.
Первый закон Кирхгофа утверждает:
Суммарная величина токов направленная к узлу электрической сети равна суммарной величине токов направленных от узла.
В практике на основе первого закона Кирхгофа основана работа Устройств защитного отключения (УЗО). Работа УЗО заключается в отключении электропитания сети при возникновении токов утечки. При нормальном режиме работы суммарное значение тока, втекающая в электрическую сеть равна значению тока утекающему из нее. Если равенство токов нарушается, значит, в сети есть утечка. УЗО сконструировано и подключено таким образом, что при утечке тока УЗО его обнаруживает и размыкает питание электросети.
Второй закон Кирхгофа гласит:
Любой замкнутый контур переменной электрической сети имеет равные значения комплексных напряжений и ЭДС (электродвижущих сил) на всех пассивных элементах сети.
Практическое применение можно пояснить на любой квартирной группе электропитания. Для пояснения рассмотрим квартиру.
Сколько бы групп электропитания в квартире не было, на любой розетке или светильнике напряжение в сети (при рабочем режиме) будет 220 вольт.
Основные понятия электротехники
Изучая электричество для начинающих, главное – разобраться с тремя основными терминами:
- Сила тока;
- Напряжение;
- Сопротивление.
Под силой тока понимается количество электрического заряда, протекающего через проводник с определенным сечением за единицу времени. Другими словами, количество электронов, которые переместились из одного конца проводника в другой за некоторое время. Сила тока является самой опасной для жизни и здоровья человека. Если взяться за оголенный провод (а человек – это тоже проводник), то электроны пройдут через него. Чем больше их пройдет, тем больше будут повреждения, поскольку в процессе своего движения они выделяют тепло и запускают различные химические реакции.
Однако чтобы ток шел по проводникам, между одним и другим концом проводника должно быть напряжение или разность потенциалов. Причем она должна быть постоянной, чтобы движение электронов не прекращалось. Для этого электрическую цепь обязательно замыкают, а на одном конце цепи обязательно ставят источник тока, который обеспечивает в цепи постоянное движение электронов.
Электрическая цепь
Сопротивление – это физическая характеристика проводника, его способность к проведению электронов. Чем ниже сопротивление проводника, тем большее количество электронов по нему пройдет за единицу времени, тем выше сила тока. Высокое сопротивление, наоборот, уменьшает силу тока, но влечет за собой нагревание проводника (если напряжение достаточно высоко), что может привести к возгоранию.
Подбор оптимальных соотношений между напряжением, сопротивлением и силой тока в электрической цепи является одной из основных задач электротехники.
