Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Передовые энергетические технологии | Обучение электриков | Контакты



Про электричество для начинающих в доступном изложении. Как работает электричество. Здесь нет сухих и нудных лекций, а просто и понятно объясняются все ключевые термины, самые важные понятия, законы и явления.

 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / База знаний / Электричество для чайников / Что такое электричество


 Школа для электрика в Telegram

Что такое электричество



Электричество — это совокупность явлений, возникающих в результате движения и взаимодействия положительных и отрицательных электрических зарядов тел. 

Электрический заряд является фундаментальным свойством материи и переносится элементарными частицами. По сути, притяжение и отталкивание — две основные характеристики зарядов. Силы отталкивания действуют между одноименными зарядами, а силы притяжения действуют между противоположными зарядами.

То есть электричество — это сила, возникающая в результате притяжения или отталкивания между частицами, содержащими положительный и отрицательный электрический заряд, и может проявляться как в состоянии покоя (статическом), так и в движении.

В научной литературе электричество часто определяется как сумма проявлений электростатического поля и электродинамических явлений, в том числе электромагнетизма. Явления, связанные как с электричеством, так и с магнетизмом, называются электромагнетизмом. Область техники, связанная с электричеством, называется электротехникой.

Электричество также является товаром (его физическая природа обычно представляет собой электрическую энергию). В этом смысле мы говорим о производстве, распределении и потреблении электроэнергии, торговле электроэнергией и т. д.

Электричество это действительно просто организованная молния.

Джордж Карлин

Слово «электричество» происходит от латинского слова «электрум» и, в свою очередь, от греческого слова «электрон», что означает «янтарь». Он связан с электричеством, потому что янтарь — это смола, которая при трении приобретает электрические свойства.

В широком смысле электричество это вся совокупность электромагнитных явлений, представляющих собою различные проявления электромагнитного поля и его взаимодействия с веществом, в узком смысле — употребляется в выражении «количество электричества», представляющем синоним «электрического заряда» при количественном определении последнего.

Электрическая энергия

Большинство людей очень плохо понимают природу электричества. Многим из нас очень трудно ответить на вопрос: “Что такое электричество?”, так как мы не можем его увидеть. И мы, конечно же, не хотим его пробовать или чувствовать.

Электричество является очень важной частью повседневной жизни, тем не менее многие люди имеют слабое представление о том, как оно создается и как затем попадает их в дома.

Даже многие электрики хорошо выполняя свою профессиональную деятельность, не всегда полностью понимают, как именно ведет себя электричество в том или ином случае.

Изучая основы электричества, мы можем лучше понять, как использовать электричество, эффективно, безопасно и в рамках инструкций и правил, которые помогут нам преуспеть в нашей работе, при этом сохраняя нас в полной безопасности.

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 используется для производства движения, тепла или холода, света и для работы различных электронных устройств. Он также используется для телекоммуникационных систем, систем обработки информации и т. д.

Так или иначе, проявлений электричества в современном мире очень много. Цивилизацию сегодняшнего дня вообще невозможно представить без электричества. Оно настолько важно, что гипотетический вариант его остуствия назвают электрическим апокалипсисом. Этот апокалипсис есть не что иное, как бессрочное прекращение подачи электроэнергии всему миру.

Однако что мы знаем об электричестве? Давайте освежим в памяти эти сведения.

Силовой трансформатор на трансформаторной подстанции

Кто изобрел электричество?

В 1600 году английский ученый Уильям Гилберт написал трактат в котором он представил исследование электричества и магнетизма. Он использовал новое латинское слово electricus («янтарный» или «подобный янтарю», от греческого названия янтаря — электрон) для свойства материалов притягивать мелкие предметы после трения.

Уильям Гиблерт

Это слово дало начало английским словам «электрический» и «электричество», которые впервые появились в печати в книге Томаса Брауна «Pseudodoxia Epidemica» 1646 года.

В середине 18 века, Бенджамин Франклин провел обширные исследования электричества и даже продал свою собственность, чтобы профинансировать свою работу.

Он провел очень опасный эксперимент: взял бумажного змея, прикрепил его к металлическому стержню, затем привязал конец веревки к ключу и вышел в бурю. Когда воздушный змей влетел в грозовое облако, Франклин увидел искры и почувствовал удар, когда электричество от облаков прошло от воздушного змея по веревке к ключу. Искры, выскочившие из ключа на тыльную сторону его ладони, свидетельствовали о том, что молния действительно имеет электрическую природу.

Изучение явлений, связанных с электричеством, ускорилось, и с конца 18 века был исследован и представлен ряд явлений и принципов, связанных с электричеством.

В 1791 году итальянец Луиджи Гальвани опубликовал статью о биоэлектромагнетизме (нейроны передают электрические импульсы мышцам). В 1800 г. его соотечественник Алессандро Вольта создал первый надежный источник электрического тока.

Вольтов столб

У обоих итальянцев были не менее способные коллеги и продолжатели (ведь их имена мы вообще встречаем при работе с различными физическими величинами, связанными с электричеством):

  • Француз Шарль Кулон (1736-1806) уже в 1784 году нашел зависимость, определяющую величину силы между двумя электрическими зарядами,
  • Француз Андре Мари Ампер (1775-1836) открыл электромагнетизм как объединение явлений электричества и магнетизма, заложил основы электродинамики в 1820-х годах.
  • Немец Георг Симон Ом (1787-1854) сформулировал в 1826 году закон зависимости электрического тока от напряжения и сопротивления,
  • Англичанин Майкл Фарадей (1791-1867) открыл электромагнитную индукцию в 1831 году, что позволило сконструировать электрический двигатель.

Американский изобретатель электрической лампы накаливания, а прежде всего разработчик динамо-машины, обеспечивающей первое общественное электрическое освещение, Томас Алва Эдисон (1847-1931). Он известен и, конечно, благодаря ряду других патентов - его имя является синонимом слова изобретатель. Немного в его тени находится не менее способный немецкий изобретатель Вернер фон Сименс (1816-1892).

Эдисон защищал концепцию постоянного тока. Но в конце-концов победил переменный ток, за который ратовал Никола Тесла (1856-1943). 

Массовое внедрение электричества в производстве и быту произошло в первой половине 20 века.

Дальнейшие открытия и изобретения в области электромагнетизма, фотоэлектрического явления и полупроводников заложили основы распространения электричества во все области человеческой жизни. 

Что такое электрический заряд?

Основным электрическим свойством тел является электрический заряд. Тело с электрическим зарядом называется электрически заряженным и способно оказывать электрическое воздействие на другое электрически заряженное тело.

Тела могут быть наэлектризованы различными способами — электростатической индукцией, ионизацией, химической диссоциацией, трением, действием света, тепла и т. д. Во всех случаях это разделение внутри тела каких-то элементарных частиц с разными зарядами.

Отрицательно заряженное тело имеет избыток электронов, положительно заряженное тело имеет недостаток электронов (имеет больше протонов). Электрический заряд может накапливаться в конденсаторе или другие компоненты с электрической мощностью.

Подробнее об этом читайте в статье Электрический заряд и его свойства

На самом деле электричество состоит из мельчайших частиц, называемых электронами, которые невозможно увидеть невооруженным глазом.

Дэйв Барри

От электростанции — к электроприбору

Короткий ответ на вопрос “Что такое электричество?” это передача энергии через движение заряда с электронами. Электрики, как правило, обеспокоены гораздо более контролируемой ситуацией, когда электричество протекает по заданному пути безопасным, предсказуемым образом.

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.

Электростанция

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.

Опора линии электропередачи

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.

Опыты Майкла Фарадея

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.

Я только что видел чертежи и описания электрической машины, недавно запатентованной господином Теслой и проданной компании Westinghouse, которая произведет революцию во всем мире электрического бизнеса. Это самый ценный патент со времени телефона.

Марк Твен, Ноябрь 1888

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.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

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

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.

Классическая электростатическая машина, способная генерировать электрическое напряжение и электрические заряды различного знака (положительного и отрицательного), которые отдельно собираются и накапливаются в лейденских банках. Электростатическая машина позволяет безопасно проводить эксперименты в области электростатики.

В некоторых производственных процессах электростатические заряды могут тоже быть опасными. Например, при производстве и обработке некоторых тканей, бумаги, пластика и т. д. Очень опасны заряды, передаваемые при перекачивании легковоспламеняющихся жидкостей, например бензина.

Связь между электричеством и магнетизмом

Магнитное поле всегда создается вокруг проводника, по которому проходит электрический ток (вообще вокруг любой движущейся электрически заряженной частицы).

Наоборот, если магнитное поле изменяется, то в проводнике всегда индуцируется электрический ток (вообще возникает электрическая сила, действующая на электрически заряженные частицы).

Каждое изменение электрического поля вызывает изменение магнитного поля, и, наоборот, каждое изменение магнитного поля вызывает изменение электрического поля.

Эти явления указывают на неразрывную связь между электричеством и магнетизмом.

Связь между электричеством и магнетизмом

Единая теория электромагнетизма или электромагнитного поля дается теорией электромагнитного поля Максвелла. Согласно этой всеобъемлющей теории, лежащей в основе всей практической электротехники, электрическая энергия всегда передается только и исключительно электромагнитным полем во всем (теоретически бесконечном) пространстве вокруг электрического проводника.

Передача электроэнергии на большое расстояние

Производство электроэнергии

Электричество может быть создано путем преобразования химической энергии (гальваническая батарея, аккумулятор), путем преобразования механической энергии (динамо, генератор переменного тока) или путем преобразования другой энергии (фотоэффект, термопара). Наибольшее количество электроэнергии производится на электростанциях.

Электрическая энергия не может экономично храниться в больших количествах. Это заставляет его генерировать с той же скоростью, с которой он потребляет каждый момент. Другими словами, должна быть прямая связь между производством и потреблением энергии.

Что является источником электрической энергии?

Основой для производства электроэнергии являются природные ресурсы, особенно уголь, нефть, газ, уран, вода, а также солнечный свет и ветер. Во многих случаях электрическая энергия из других источников получается путем многоступенчатого преобразования.

Что такое зеленое электричество?

Электростанции, работающие на угле и газе в значительной степени участвуют в производстве CO2. А как известно, CO2 является парниковым газом, который способствует потеплению климата Земли. Зеленая электроэнергия — это электроэнергия, получаемая исключительно из возобновляемых источников энергии.

Как хранится электричество?

Электрическая энергия может быть сохранена только в ограниченном объеме с помощью аккумуляторных батарей, гальванических элементов, конденсаторов и топливных элементов. Гидроэлектростанция — это тип накопителя электроэнергии, используемый для сглаживания нагрузок на электрическую сеть.

Потребление электроэнергии

Крупные потребители электрической энергии в основном встречаются в промышленности (в меньшей степени в домашнем хозяйстве) и обычно выполнены в виде электродвигателей или крупных электропечей.

Для обычного личного потребления обычно используется только одна фаза. Электропроводка дома в этих случаях обычно разбивается на несколько независимых друг от друга цепей электроснабжения, каждая из которых затем подключается к разной фазе распределительной сети из-за равномерности нагрузки на распределительную электрическую сеть.

Я никогда не видел электричества, поэтому и не плачу за него.

Стивен Райт

Электричество как товар

Производство и потребление электроэнергии должны быть сбалансированы. Динамика потребления электроэнергии в течение дня отражается на диаграмме суточной нагрузки, где потребление минимально в ночное время, увеличивается утром, достигает пика в течение дня и снова снижается вечером. Предел, ниже которого потребление никогда не падает, называется базовым, более высоким полупиковым потреблением и наивысшим пиковым.

Базовая выработка обычно обеспечивается электростанциями длительного пуска (атомными), полупиковая выработка теплоэлектростанциями и пиковая - легкорегулируемыми источниками, например, гидроэлектростанциями.

Производство должно адаптироваться к потреблению электроэнергии в распределительной сети, поскольку в противном случае распределительные сети и электростанции могут быть повреждены. Чтобы предотвратить ущерб, электростанции в аварийной ситуации отключаются от сети, что приводит к крупномасштабному отключению электроэнергии.

Возобновляемые источники не подлежат регулированию, и по мере увеличения их доли в производстве электроэнергии требования к регулированию традиционных источников электроэнергии значительно возрастают.

Использование электрической энергии

Электротехническая терминология

Самые важные термины и определения:

Что такое электромагнитное поле?

Электромагнитное поле — особый вид материи, отличающийся непрерывным распределением в пространстве (электромагнитные волны) и обнаруживающий дискретность структуры (фотоны), характеризующийся способностью распространения в вакууме (при отсутствии сильных гравитационных полей), оказывающий на заряженные частицы силовое воздействие, зависящее от их скорости.

Что такое электрический заряд?

Электрический заряд — свойство частиц материи или тел, характеризующее их взаимосвязь с собственным электромагнитным полем и их взаимодействие с внешним электромагнитным полем. Он имеет два вида, известные как положительный заряд (заряд протона, позитрона и др.) и отрицательный заряд (заряд электрона и др.). Как величина количественно определяется по силовому взаимодействию одного заряженного тела с другим заряженным телом.

Что такое заряженная частица?

Заряженная частица — частица материи, обладающая электрическим зарядом.

Что такое электрическое поле?

Электрическое поле — одна из двух сторон электромагнитного поля, обусловленная электрическими зарядами и изменением магнитного поля, оказывающая силовое воздействие на заряженные частицы и тела и выявляемая по силовому воздействию на неподвижные заряженные тела и частицы.

Что такое магнитное поле?

Магнитное поле — одна из двух сторон электромагнитного поля, обусловленная электрическими зарядами движущихся заряженных частиц и тел и изменением электрического поля, оказывающая силовое воздействие на движущиеся заряженные частицы и выявляемая по силовому воздействию, направленному нормально к направлению движения этих частиц и пропорциональному их скорости.

Что такое электрический потенциал?

Электрический потенциал — скалярная физическая величина, описывающая потенциальную энергию единицы электрического заряда в постоянном электрическом поле. Следовательно, это потенциал электрического поля, т.е. количество работы, необходимой для переноса единицы электрического заряда из контрольной точки с нулевым потенциалом в заданное место.

Что такое электрический ток?

Электрический ток — явление движения заряженных частиц и явление изменения электрического поля во времени, сопровождаемые магнитным полем. Ток может быть постоянным или переменным током, направление потока и мгновенная величина которого циклически изменяются во времени. 

Что такое энергия электрического поля?

Энергия электрического поля — энергия, связанная с электрическим полем и преобразующаяся в другие формы энергии при изменении электрического поля.

Что такое энергия магнитного поля?

Энергия магнитного поля — энергия, связанная с магнитным полем и преобразующаяся в другие формы энергии три изменении магнитного поля.

Что такое электромагнетизм?

Электромагнетизм относится к совокупности явлений, в которых электричество и магнетизм взаимосвязаны. Этот термин также относится к тому факту, что электрические и магнитные поля тесно связаны между собой и во многих случаях (особенно в теории относительности) их вообще нельзя разделить.

Например, помимо движения электрического заряда, создающего магнитное поле, изменение магнитного поля также создает электрическое поле. Это явление называется электромагнитной индукцией и лежит в основе работы электрических генераторов или трансформаторов.

Электромагнетизм также может означать область физики, которая исследует эти явления, или непосредственно теория электромагнитного поля, объясняющая электромагнитные явления.

Что такое электромагнитная энергия (электрическая энергия)?

Электрическая энергия — энергия электромагнитного поля, слагающаяся из энергии электрического поля и энергии магнитного поля. В основном электрическая энергия не возникает напрямую, и поэтому мы получаем ее путем преобразования из других видов энергии. Например, генераторы используются для преобразования механической энергии в электрическую, фотогальванические элементы используются для преобразования энергии света и т. д.

Что такое электроэнергетика?

Электроэнергетика – это отрасль промышленности, занимающаяся получением, преобразованием и распределением энергии. Это касается производства электроэнергии на электростанциях, распределения по системе передачи, а также добычи, распределения и использования угля, нефти, природного газа, ядерного топлива или древесины, применения возобновляемых источников энергии.

Теория электричества

Какие бывают носители тока:

Носители электрического тока

Какие условия существования электрического тока:

Условия существования электрического тока

Электромагнитное поле классически описывается композицией электрического и магнитного полей. В чем различие между электрическим и магнитным полем:

Электрическое и магнитное поле: в чем различие

Что такое потенциал, напряжение и напряженность:

Характеристики электрического поля

Какая скорость у электрического тока:

Скорость электрического тока

Какие бывают электрические величины:

Основные электрические величины

Что изучать дальше?

Электричество — удивительное явление. Его энергия может проявляться в виде света, звука, тепла или движения.

Какие есть действия электричества:

Тепловое, химическое, магнитное, световое и механическое действия электрического тока

Андрей Повный

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика