Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
 
 


 

Статьи для электриков / Электричество для чайников

 

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.

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.

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.

Электростанция

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.

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

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.