Электрический ток в повседневной жизни
Если в мире отключить электричество, остановится весь транспорт, исчезнет коммуникация, в домах не будет света. Произойдет катастрофа. Еще хуже, если отключить все электромагнитные взаимодействия, которые есть в природе: в таком случае мы просто перестанем существовать. Атомы и молекулы развалятся и перестанут существовать, поэтому электромагнитные взаимодействия фундаментальны. Когда электрический заряд движется, получается электрический ток, который используется во многих сферах жизни. Исследование электрического заряда началось с опытов Майкла Фарадея, открывшего явление электромагнитной индукции, на котором основаны все электродвигатели и электрогенераторы. В первой половине XIX века Фарадей показывал свои опыты в Англии, но ему говорили: «Мистер Фарадей, какой смысл в ваших опытах?» На это он отвечал, что все будут иметь налоги с его изобретений.
Так и произошло. Вклад Фарадея потом отметили, изобразив ученого на английских купюрах.
Невозможно представить жизнь без электрических машин, приборов и устройств. Это радиосвязь, интернет, телекоммуникации, транспорт. Электрический ток представляет собой направленно движущиеся заряды, измеряемые в амперах. Один ампер — это ток, который переносит огромный заряд, равный одному кулону, за одну секунду. Провода, по которым идет этот ток, куда электроны входят и выходят, электрически нейтральны, поэтому никаких электростатических явлений здесь нет. Важно, что движущиеся заряды, то есть токи, порождают магнитные поля. В XIX веке стало понятно, что магнитные явления связаны с движущимся током, а до этого электрические и магнитные явления существовали раздельно. Магнитные явления использовались для ориентации с помощью компаса, но только в начале XIX века благодаря опытам Эрстеда и Ампера стало ясно, что эти явления связаны.
Ганс Эрстед пускал электрический ток по проводу и подносил к проводу стрелку компаса.
Он заметил, что ориентация стрелки зависела от направления тока. Это был признак, что между током и стрелкой происходит взаимодействие. Важно уточнить: это не связано с электростатикой — провод был электрически нейтральный. Это связано с протеканием тока. Другой знаменитый опыт 1820 года принадлежит французскому физику Андре-Мари Амперу, который взял два провода и пустил по ним токи. Он обнаружил, что эти провода, если токи в них протекают в одном направлении, притягиваются, а если токи имеют разные направления — отталкиваются. Это тоже не связано с электростатическими явлениями. Это связано только с протеканием тока через эти провода. В это время ученые начали замечать важную связь между электрическими и магнитными явлениями: это проявления одного и того же фундаментального взаимодействия, которое мы называем «электромагнитное», «электромагнетизм».
Следующий важный опыт — эксперимент Майкла Фарадея в 1831 году. Он открыл явление электромагнитной индукции. Если взять проводник с током в виде кольца, которое находится в магнитном поле, то, когда мы меняем это магнитное поле, например повернув кольцо, в поле возникает электрический ток.
Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы всех электрических машин: генераторов, электродвигателей. Это лучший вид преобразователей энергии в движение, которые мы имеем сегодня. У таких машин КПД выше 90%, когда как КПД двигателей внутреннего сгорания меньше 50%. Электричество позволяет преобразовывать электрическую энергию в механическую с фантастической эффективностью. После открытий Ампера, Эрстеда, Фарадея стала активно развиваться электротехника — сфера, которая подарила нам современные электрические машины. Когда ученые научились вырабатывать электроэнергию и использовать ее, возникла потребность в передаче этой электроэнергии на расстояние. Сейчас существует огромное количество изобретений, различных электродвигателей, электрических машин постоянного тока, двигателей переменного тока или машин. Например, в нашей бытовой сети используется переменный электрический ток, который вырабатывается с помощью электрогенераторов.
Разберемся с устройством электрогенератора.
Представим, что у нас есть рамка с током в виде замкнутого кольца. Если магнитное поле в ней изменяется, значит, в рамке наводится ток. Возьмем постоянные магниты, рамку или катушку с током (в современных электродвигателях движущаяся часть — ротор, недвижущаяся часть — статор). Если мы вращаем эту катушку, в ней наводится электрический ток. Например, вращаем на разных электрогенераторах. Необходимо принудительным образом вращать ротор, тогда возможно снимать электрический ток с помощью специальных устройств, а именно коллекторов, и получать электрический ток во внешней цепи. Скажем, на электростанциях, на тепловых электростанциях турбина вращается за счет сжигания газа. На гидроэлектростанциях ротор вращается за счет потока воды. В двигателях внутреннего сгорания, которые используются для генерации, механическое движение сообщается от сгорания топлива.
Современные мощные электрические машины — электродвигатели и генераторы — многофазные. Чаще всего трехфазные; это три провода, по которым течет электрический ток в разных фазах, и общий провод.
Такие способы электропитания и генерации наиболее эффективны. Начиналось все с однофазных генераторов, затем появились многофазные. Классическая схема состоит из трех фаз, ее разрабатывали инженеры и изобретатели второй половины XIX века, один из которых — инженер русского происхождения Доливо-Добровольский, работающий в Германии. Он был директором компании AEG, которая существует и сейчас и производит много бытовой электротехники. При работе электрических машин, позволяющих генерировать электрический ток, или электродвигателей, на статор подается переменный или постоянный электрический ток, который создает магнитное поле, в котором вращается ротор.
Другая важная конструкция — асинхронный двигатель, в котором нет электрического контакта между ротором и статором. С помощью катушек создается вращающееся магнитное поле, и ротор, который обладает магнитными свойствами, начинает вращаться в этом поле, поэтому электрический контакт между ротором и статором не нужен. Асинхронный двигатель — интересный тип двигателя, который широко используется во многих устройствах, потому что в нем отсутствуют щетки — наиболее уязвимая часть электрических машин из-за их низкой износостойкости.
Такие устройства обеспечивают бесконтактную передачу энергии от электрических проводников с током к ротору. Главная идея в том, что с помощью электричества можно осуществлять бесконтактную передачу энергии. Один из первых, кому эта идея пришла в голову и кто ее пропагандировал, — это Никола Тесла, который предвидел современный интернет. С помощью своих опытов и демонстраций Тесла показывал, что электрическую энергию можно передать на расстоянии, не используя никакие провода. Сейчас мы понимаем этот механизм так, что движущиеся токи испускают электромагнитное излучение, то есть энергию, затем это перехватывается приемником, и получается беспроводная передача энергии.
Стандартная частота переменного тока в сетях — около 50-60 герц. Если эту частоту поднять, то излучение электромагнитной энергии станет более эффективным. На этом основана радиосвязь. Началось все с опытов немецкого физика Генриха Герца в XIX веке, а изобретение радио в конце XIX века, связанное с именами Гульельмо Маркони и Александра Попова, стало основой современных беспроводных коммуникаций.
Другой важный и понятный пример беспроводной передачи электрической энергии — СВЧ-печь. В обычной СВЧ-печи с помощью магнитного поля — магнетрона — токи сверхвысокой частоты передают токи Фуко в объект, который мы нагреваем. Если этот объект электропроводящий, то электромагнитное поле вызывает токи, а токи вызывают нагрев.
Связь электрических и магнитных явлений хорошо изучили и сформулировали в уравнения Максвелла в конце XIX века. Этих уравнений четыре, и они описывают все электромагнитные явления, которые известны и доступны нам. Это фундаментальные законы физики, которым все электромагнитные явления подчиняются.
На постоянном и переменном токе основана вся электроэнергетика, которая вносит около 20% вклада в общую энергетику мира. Доля электроэнергетики постоянно растет, потому что она основывается не только на ископаемых ресурсах, но и на возобновляемых источниках энергии: солнце, ветре, движущейся воде.
Принцип работы электрических машин сильно не меняется уже сто лет.
Главная область для развития — это усовершенствование материалов, использование электроники, процессоров для управления этими электрическими машинами, повышение эффективности материалов, экологичности. Другое применение постоянного и переменного тока — электромагнитные или рельсовые пушки, которые позволяют разогнать объект до огромных скоростей с помощью явлений электромагнитного поля. Возможно организовать взлет самолетов с помощью сильных электромагнитных полей, не прибегая к двигателям внутреннего сгорания.
Параллельно с этим развивается транспорт на магнитной подушке, который позволяет перемещаться телу или поезду на магнитной подушке без контакта с рельсом. С помощью таких технологий можно избавиться от трения, механики. Для создания магнитной подушки используются электромагнитные преобразователи, которые накапливают энергию в маховиках. Если раскрутить маховик с помощью асинхронного двигателя и поместить его в вакуум, чтобы избежать трения о воздух и остановок, то можно создать накопитель энергии.
Такой накопитель сначала разгоняют электромагнитным полем, и он длительное время сохраняет энергию, затем мы подключаемся к этому маховику, и механическая энергия отдается обратно в электрическую. В итоге получается накопитель энергии.
Важная проблема, которую человечество решает десятки лет, — наличие проводников без потерь. Значительная часть энергии при передаче по проводам рассеивается: она идет на нагревание. На этом процессе основаны все электронагревательные приборы. Но если мы хотим передавать энергию, не тратя ее на тепло, нужно обеспечить провода минимальным сопротивлением, поэтому для электропроводки лучше использовать медные провода или серебро. Алюминий хуже, но нужен металл. В идеале потерь не будет, если использовать сверхпроводники, у которых потерь на нагрев не существует. Проблема в том, что до сих пор сверхпроводимость известна только при низких температурах. Самые высокие температуры для сверхпроводимости немного выше температуры кипения жидкого азота — около 90 кельвинов, но меньше комнатных температур.
Современные сверхпроводящие устройства работают только при низких температурах, что требует глубокого охлаждения, затрат энергии, поэтому в больших масштабах это неэффективно. Многие ученые мечтают иметь сверхпроводники, которые работали бы при комнатных температурах, потому что это обеспечит новый вид транспорта, передачу энергии, хранение энергии. Пока не удалось разработать сверхпроводники, которые работали бы при комнатных температурах. Это задача будущего.
Сейчас продвигают использование электромагнитной энергии для беспроводной передачи на большие расстояния. Один из проектов, над которым работают современные ученые, состоит в том, чтобы вырабатывать электрическую энергию в космосе с помощью орбитальных космических станций, где используются солнечные батареи. Затем энергию, выработанную солнечными батареями, транслировать на Землю с помощью электромагнитной энергии, например, в диапазоне сверхвысоких частот или в оптическом диапазоне с помощью лазерного излучения. Также интересно разобраться с механизмами работы электродвигателей живых систем: как двигаются бактерии, клетки.
Они двигаются и используют для этого маленькие электромоторчики, которые устроены электростатически или иначе. Такие механизмы могут найти приложения в современной робототехнике, развивающейся в сторону создания мягких роботов, которые будут приближены к человеческому телу.
Источник: ПостНаука
Как передается электричество
Провода окружают нас повсюду и используются для передачи информации и энергии. Если в передаче информации беспроводные технологии развиваются семимильными шагами, то с энергией дело обстоит по-другому. Для распространения энергии на расстояние можно использовать разные способы. Например, перевозку бензина в бензовозе или запуск ядерной боеголовки тоже можно считать передачей энергии, причем беспроводной. Но составить конкуренцию электроэнергии по удобству и универсальности эти способы, конечно, не могут.
Электричество, как известно, производится на электростанциях: тепловых, атомных, ГЭС и так далее. Энергия, генерируемая электростанциями, идет по проводам к потребителям (населению и промышленности), где расходуется на полезную работу, производство тепла и излучения.
Полезная работа — это, например, работа электродвигателей в компрессоре холодильника или движение троллейбуса. Производством тепла можно считать нагрев воды в чайнике. Количество энергии, потребляемое в единицу времени, принято называть потребляемой мощностью и измерять в ваттах. Скажем, электрочайник потребляет примерно 2000 Вт (или 2 кВт), а мобильный телефон при зарядке — меньше 10 Вт.
Конечно, на передачу информации тоже тратится энергия. Например, передатчик на вышке сотовой связи потребляет порядка 1 кВт. Но это все-таки гораздо меньше того, что расходуется промышленностью и домохозяйствами.
Есть простая формула (закон Джоуля — Ленца), которую изучают в школе: Р = U⋅ I, где P — потребляемая мощность, U — напряжение между проводами (измеряется в вольтах), а I — сила тока (сколько заряда проходит по проводу за единицу времени, измеряется в амперах).
Как известно, напряжение в розетке — 220 В. Когда мы включаем в нее чайник мощностью 2 кВт, потребляемый им ток, исходя из формулы, равен примерно 10 А.
Теперь представим большой город, размером с Санкт-Петербург, в котором живут миллион семей, и каждая из них потребляет в среднем те же 10 А. Так получается не потому, что люди круглые сутки кипятят чайник, а потому, что, например, холодильник, освещение, компьютер, кондиционер, стиральная машина в среднем тоже постоянно подключены к сети: что-то включается и выключается в течение дня. Тогда для обеспечения электричеством населения миллионного города потребуется мощность, равная 2 ГВт, двум гигаваттам (2 кВт х 1 000 000 = 2 ГВт). Примерно такой мощностью обладают два энергоблока атомной электростанции. Промышленность и электротранспорт только увеличат это число.
Возникает вопрос: как обеспечить необходимую мощность для потребителей? Без проводов доставить ее не получится. Действительно, если передавать энергию без проводов, значит, надо передавать электромагнитное излучение, то есть необходимо поставить антенну (или лазер, если использовать оптический или инфракрасный диапазон), которая энергию будет испускать, и какой-то приемник, который будет энергию принимать.
Проблема в том, что любой источник излучения не сможет направить электромагнитную волну строго на приемник из-за дифракции (явления, заключающегося в том, что свет — волна и всегда будет стремиться расходиться в разные стороны, как круги на воде).
Дифракция волн
Волна всегда будет разбегаться в стороны. И если приемник находится за сотни километров от передатчика, то он примет только маленькую часть всей энергии, а вся остальная энергия пролетит мимо. Поэтому ни на какой разумной частоте эффективная передача энергии без провода на большие расстояния не осуществима. Другая причина, почему такая передача не получится, — взаимодействие энергетического луча с воздухом, пылью и биологическими объектами. Все живое, что попадет под действие луча мощностью 1 ГВт, мгновенно зажарится или даже испарится.
Значит, мы должны передать в нашем условном городе 2 ГВт электроэнергии с помощью проводов. Что ограничивает ток, который можно пустить по проводу? Разогрев самого провода: тонкий и толстый провода от одинакового тока будут по-разному разогреваться.
К маленькой лампочке изготавливают тонкий медный провод, потому что лампочка потребляет маленький ток, а к электрочайнику — толстый провод, потому что по нему течет большой ток. То, какой ток вы можете пропустить, определяет электрическое сопротивление, то есть в конечном счете толщину провода. Если попытаться пропустить большой ток через тонкий провод, то провод нагреется или даже сгорит.
У электрочайника, скажем, провод имеет сечение 1,5-2,5 квадратных миллиметра (1 квадратный миллиметр медного провода может нести ток около 10 А). Разумеется, для города, в котором миллион таких чайников, никто не будет изготавливать провод диаметром миллион квадратных миллиметров: так никаких запасов металлов на Земле не хватит. Для этого люди поступают по-другому: поскольку мощность — это ток, умноженный на напряжение, то для передачи большой мощности можно поднять напряжение, тогда не надо изготавливать совсем уж толстый провод. От электростанции строятся линии электропередачи, напряжение в которых уже не 220 В, а минимум 220 кВ (бывают до 1 МВ).
И провод там не 1,5 квадратных миллиметра, а 300. Он способен нести ток около 500 А. Если умножить 500 А на 220 кВ, мы получим примерно одну двадцатую от того, что будет потреблять наш город. Есть, конечно, тонкости (например, используется трехфазный ток), но вывод такой, что для питания крупного города придется построить примерно десять высоковольтных линий электропередачи среднего размера. Если посмотреть на крупные города, то так примерно и есть.
Однако нужно понимать, что эти линии электропередачи сделаны из меди или алюминия со сталью, которые в любом случае нагреваются. Соответственно, будут потери энергии, и чем длиннее линия электропередачи, тем больше потери, так как у проводов есть сопротивление. Потери могут доходить до 10-30 %. Получаемое тепло идет на разогрев окружающего пространства. Одним из вариантов исключить потери было бы использование сверхпроводящего кабеля.
Сверхпроводники
Явление сверхпроводимости было открыто больше ста лет назад. Оно проявляется в том, что вещество теряет сопротивление и может переносить ток без потерь.
Большинство известных сверхпроводящих материалов становятся такими при температурах, близких к температуре жидкого гелия (-269 °C, или примерно 4 К) или ниже. Но существуют также высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), которым достаточно более доступной температуры жидкого азота — -196 °C, или 77 К.
Однако сверхпроводника, работающего при комнатной температуре, еще нет. Если бы мы его получили, передача тока без потери напряжения стала бы возможной. Это была бы очень большая экономия для человечества. Можно было бы, например, построить много гидроэлектростанций в Сибири и передавать электроэнергию в Москву без потерь.
В конце 1990-х — начале 2000-х годов люди научились не просто синтезировать высокотемпературные сверхпроводники, но и создавать из них провода, которые работают при температуре жидкого азота (-196 °C) и могут, несмотря на малые размеры, нести большой ток — сотни и тысячи ампер.
В чем проблема внедрения этих проводов? Во-первых, как уже было сказано, провод требует жидкого азота.
Во-вторых, этот провод дорогой, гораздо дороже меди. Тем не менее пробные линии с такими сверхпроводниками уже существуют — например, в Нью-Йорке или Германии. Работы ведутся во многих странах, и в России в том числе.
Линия из сверхпроводника должна находиться в трубе с двойными стенками (термос-трубе), в которой залит жидкий азот. По мере того как азот испаряется (идеальных термосов не бывает), его приходится доливать. То есть такую линию дорого эксплуатировать: приходится строить рядом маленький завод по производству жидкого азота. С другой стороны, она хороша тем, что на ней не происходит потерь напряжения. Более того, через современный сверхпроводящий кабель можно пропустить ток в тысячи и даже десятки тысяч ампер, а это значит, что для передачи той же мощности напряжение можно уменьшить. Обычная линия электропередачи из-за больших напряжений очень большая, и вокруг нее всегда есть полоса отчуждения — пространство, где нельзя строить, поселяться, вести хозяйственную деятельность.
В сверхпроводящей линии напряжение меньше, и тогда необходимость в полосе отчуждения пропадет. Следовательно, эта земля может быть использована, что экономически может быть выгоднее, даже несмотря на затраты на азот.
Поднять температуру сверхпроводников до комнатной пока не удается. Отчасти дело в том, что эти материалы довольно сложные и содержат в себе 4-5 элементов, например YBa2Cu3O7-x или Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+x. У материала есть кристаллическая решетка, в которой разные элементы должны стоять в идеальном порядке. Создать такой материал очень непросто, еще сложнее — понять, какой из элементов нужно заменить и на какой именно, чтобы материал был сверхпроводящим при достаточно высокой температуре.
Производство сверхпроводящих проводов из этих материалов — отдельный и довольно сложный процесс, на освоение которого с момента открытия ВТСП у человечества ушло около двадцати лет. Дело в том, что в таком проводе на протяжении его многокилометровой длины должна сохраняться кристаллическая ориентация сверхпроводника, то есть определенные атомы должны стоять друг за другом вдоль многокилометровой длины провода.
Чтобы этого добиться, приходится делать провод многослойным, при этом толщина самого ВТСП составляет ничтожную часть. Лидером в производстве такого сверхпроводящего провода в настоящее время является компания Superpower (США), но также производство освоено во многих странах, в том числе и в России.
Беспроводная передача энергии
И все-таки беспроводная передача энергии существует и используется — например, беспроводная зарядка для телефона. На самом деле это не совсем беспроводное устройство: оно представляет собой трансформатор — прибор, в котором энергия передается по магнитопроводу. Такая зарядка работает только в том случае, когда две поверхности — заряжающее и заряжаемое устройства, содержащие внутри элементы из феррита (магнитопроводящего материала), — почти касаются друг друга. Если вы отнесете заряжаемое, никакая беспроводная зарядка работать не будет, потому что магнитное поле очень быстро убывает с расстоянием. Конечно, зарядку на небольшом расстоянии можно было бы осуществить через антенну или, например, лазер.
Но тут, помимо уже упомянутых выше проблем, добавляется то, что существующие на сегодняшний день приемники излучения вроде солнечной батареи обладают довольно низким КПД. Таким образом, возможности беспроводной передачи энергии очень ограниченны.
Источник: ПостНаука
Current Flow Обзор: как электричество распространяется по проводам
Хотя электричество стало неотъемлемой частью нашей жизни, и жизнь без него невообразима, некоторые из нас до сих пор не понимают, как все это работает. Эта статья призвана помочь нам понять, как электричество проходит по проводам к нашим домам и предприятиям для потребления.
Открытие электричества сильно повлияло на мир вокруг нас. В настоящее время у нас есть массивные сети и другие источники энергии, которые вырабатывают электроэнергию для потребления в наших домах и офисах. Однако наука, стоящая за производством и тем, как электричество проходит по проводам, остается для многих загадкой.
Электричество — это мощная сила, которая естественным образом существует на этой планете.
Все мы время от времени зависим от электричества. Некоторые полагаются на электроэнергию так же, как на воду и еду.
Давайте задумаемся на минуту; На что была бы похожа жизнь, если бы не электричество для питания телефонов, ваших любимых телепередач и видеоигр, среди прочих гаджетов?
Нельзя отрицать, что электричество — это сила, которая позволяет нам наслаждаться жизнью разнообразными способами.
Хорошо, хотя узнать, как работает электричество, было бы здорово, так как у нас будет возможность наслаждаться этим с твердым пониманием.
Кроме того, когда мы поймем некоторые принципы и то, как электричество проходит по проводам, мы устраним многочисленные риски, связанные с электричеством.
Итак, как мы можем определить электричество? Большинство людей воспринимает электричество как таинственную силу, которая возникает всякий раз, когда мы щелкаем выключателем или подключаем кабели к розетке. Я уверен, что если бы у всех нас была возможность поговорить об электричестве, как мы его воспринимаем, мы бы в конечном итоге получили корзины, полные веселых ответов.
Тем не менее, самое приятное в этом то, что эти корзины раскрывают невероятную силу воображения, которую может постичь наш разум.
Именно благодаря этой прекрасной силе некоторые великие умы смогли открыть электричество с 17 века.
Такие люди, как Уильям Гилберт, Бен Франклин, Алессандро Вольта, Майкл Фарадей и Никола Тесла, среди многих других, являются героями открытия электричества и превращения его в то, что мы имеем сегодня.
Электричеством называется поток электрического заряда в полной цепи. Хотя мы можем рассматривать механику генерации и потока электроэнергии как сложную, основы того, как течет электричество, довольно легко понять.
Поэтому давайте определим некоторые термины, используемые в отношении электричества.
Что такое цепь?
Термин «схема» происходит от слова «круг»; следовательно, мы можем думать об этом как о петле. Цепь представляет собой путь, по которому электричество течет от источника и обратно к источнику.
Говоря о цепях, они могут быть как разомкнутыми, так и замкнутыми.
При обрыве цепи это означает, что где-то в контуре есть разрыв, и электричество не может течь.
При замкнутой цепи круг замыкается; таким образом, электричество может течь. Этот принцип лежит в основе электрических выключателей.
См. также : Почему мой счет за электроэнергию такой высокий?
Что такое электроны?
Атом — это наименьшая составная единица элемента, которая может существовать, но внутри каждого атома есть три частицы. Три частицы включают электроны, протоны и нейтроны.
Электроны несут отрицательный электромагнитный заряд и обладают уникальными характеристиками, поскольку могут перескакивать с одного атома на другой.
Способность электрона отделяться от одного атома и перемещаться к соседнему атому делает его наиболее важной частицей, когда речь идет об электричестве.
Это движение электронов от одного атома к другому создает электрический ток.
Последовательный поток электронов в цепи определяет ток в проводе. Посмотрите, как рассчитать потенциальную энергию, чтобы понять электроны и энергию.
Что такое ток?
Электрический ток определяется как поток электронов в цепи. Этот ток возникает в результате непрерывного прыжка отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому. Стандартной единицей измерения электрического тока является Ампер (А).
Электрический ток существует в двух формах: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). Физика вокруг этих двух может быть немного сложной, но фундаментальное различие между ними зависит от того, как течет ток.
Тип электрического тока влияет на то, как электричество проходит по проводам. Электрический ток в постоянном токе имеет тенденцию течь в одном направлении, тогда как в переменном токе все наоборот, поскольку он меняет направление.
Что такое напряжение?
Напряжение относится к давлению электронов в цепи. В некоторых случаях напряжение также может называться электродвижущей силой.
Напряжение измеряется в вольтах (В), а обычные электрические цепи, установленные в наших домах и офисах, обычно имеют напряжение 120 или 240 вольт. Большинство осветительных приборов питаются от 120 вольт, в то время как крупные бытовые приборы используют 240 вольт.
Что такое сопротивление?
Что касается электричества, сопротивление представляет собой электрическую величину, которая измеряет сопротивление материала протеканию электрического тока. Сопротивление также влияет на то, как электричество проходит по проводам. Кабель с низким сопротивлением имеет большой поток электронов, а кабель с высоким сопротивлением имеет низкий поток электронов.
Сопротивление измеряется в Омах, и слишком большое сопротивление в цепи может вызвать перегрузку, которая потенциально может привести к пожару. Причина в том, что сопротивление выделяет некоторое количество тепла в цепи. На этом принципе основана работа лампы накаливания.
Теперь, когда мы понимаем некоторые основные термины в области электричества, давайте углубимся в производство электричества, а также попробуем посмотреть, как электричество перемещается на большей глубине.
Как распространяется электричество
Чтобы электричество могло течь в любом материале, этот материал должен быть хорошим проводником электричества. Хорошие проводники легко пропускают электрон из одной точки в другую. Во-вторых, электрические проводники электричества обладают относительно низким сопротивлением электрическому току по сравнению с плохими проводниками (электрическими изоляторами).
Плохие проводники электричества обладают высоким сопротивлением потоку электронов, что препятствует прохождению электрического тока из одной точки в другую.
Электрические провода изготавливаются с использованием электрических проводников и с изоляцией из плохого проводника. В большинстве случаев медь является наиболее используемым металлом в производстве проводов.
Медь имеет наименьшее удельное сопротивление, что делает ее лучшим вариантом, так как она также помогает снизить потери энергии.
Откуда начинается электричество
Важно учитывать, что должен присутствовать генератор общего назначения, чтобы электроны могли течь по проводам цепи. Генератор общего назначения — это, по сути, турбина, которая вращает огромные катушки металлических проводов внутри массивных магнитов.
Еще в 1931 году Майкл Фарадей открыл способ создания электрических зарядов. Когда электрический проводник вращается в магнитном поле, он создает электрические заряды.
Открытие Фарадея до сих пор используется в современных турбинах и генераторах, работающих от воды, пара или ветра. Металлические катушки вращаются вокруг магнитного поля, тем самым запуская поток электронов.
Если мы можем использовать аналогию с водяным насосом, насос не создает воду, а скорее способствует потоку воды. То же самое относится и к генераторам; они не генерируют электричество, но облегчают поток электронов по проводу.
Вращающиеся витки проводов пересекают электромагнитные поля, создавая электрический ток внутри кабеля. Однако вращения могут быть рассчитаны на получение либо переменного, либо постоянного тока.
Также важно отметить, что для некоторых источников электроэнергии могут не требоваться турбины, такие как солнечная панель, которая генерирует постоянный ток.
См. также : Обзор предоплаченной электроэнергии
Как электричество передается по проводам
Как обсуждалось ранее, физически по проводам движется не электричество, а отрицательно заряженные электроны. Эти электроны, перескакивающие с одного атома на другой, не связаны прочно и могут свободно перемещаться. Мы также можем называть их свободными электронами.
Эти свободные электроны часто подпрыгивают и колеблются при комнатной температуре, поскольку температура высока, то есть по сравнению с абсолютным нулем. Сила турбин стремится стабилизировать эти электроны, поскольку они медленно дрейфуют в одном направлении.
Для переменного тока электроны медленно дрейфуют в одном направлении в течение примерно 0,02 секунды, а затем дрейфуют в обратном направлении в течение 0,02 секунды.
Учитывая, что электроны дрейфуют медленно, можно задаться вопросом, как быстро движется электричество? Электрическая энергия распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью света, которая составляет 3*108 метров в секунду.
Скорость электричества довольно высока, хотя электроны движутся довольно медленно.
Электрическое поле создает силу, которая заставляет эти электроны дрейфовать медленно. Сила этого электрического поля — это то, что мы называем электродвижущей силой или, предпочтительно, напряжением.
С другой стороны, медленное движение электронов в проводе приводит к возникновению электрического тока. Давайте позаимствуем идею о воде, текущей по трубе, чтобы лучше понять, как электричество проходит по проводам.
Хотя поток воды в трубе не является идеальной аналогией, он поможет создать мысленный образ. В нашей аналогии вода будет представлять электроны, а трубопровод — провод.
Напряжение можно сравнить с давлением воды в трубе, а ток — это количество воды, протекающей по той же трубе.
См. также : Интересные факты об электричестве
Что такое передача?
Что касается того, как электричество проходит по проводам, то передача — это транспортировка электричества от источника к месту потребления. Что касается электрической сети, то это значительная сеть, предназначенная для передачи электроэнергии.
Как правило, электроэнергия от электростанций передается по линиям электропередач на подстанции. С подстанций напряжение понижается и направляется по распределительным линиям в наши дома.
Линии электропередачи питаются электричеством высокого напряжения, так как высокое напряжение минимизирует потери в линии. Около 6% мощности, попадающей в линии электропередач, теряется из-за сопротивления проводов. Важно отметить, что электрические провода также оказывают некоторое сопротивление электрическому току.
Добавление сопротивления в картину четко определяет, как работают вместе передача и напряжение. Закон Ома гласит, что «электрический ток прямо пропорционален напряжению, а ток обратно пропорционален сопротивлению».
После увеличения напряжения увеличивается электрический ток, что минимизирует потери мощности при передаче.
Некоторые факторы, повышающие сопротивление провода, включают:
- Температура: чем холоднее провод, тем меньше сопротивление, чем у более теплых проводов.
- Площадь поперечного сечения: Толстые провода имеют меньшее сопротивление и наоборот.
- Длина провода: более короткие провода будут испытывать меньшее сопротивление, а более длинные провода будут испытывать большее сопротивление.
- Материал, используемый для изготовления провода, также определяет сопротивление провода.
См. также : Методы энергосбережения, которые следует учитывать
Заключение о том, как электричество распространяется по проводам
То, как электричество распространяется по проводам, не является магией. Этот процесс также нетруден для понимания, это довольно простая наука. Электрический ток — это просто поток электронов в цепи.
Например, чтобы лампочка загорелась, когда вы нажимаете этот выключатель дома, электричество течет от электростанций по линиям к лампе, а затем, наконец, обратно к источнику питания.
Теперь ты знаешь, как все это работает? Оставьте нам свой комментарий ниже.
Связанные ресурсы
- Полный обзор нанокристаллического электричества: что это такое и как оно работает
- 13 лучших домашних ветряных турбин 2019 года: выработка электроэнергии дома
Green Coast — это сообщество возобновляемых источников энергии, которое занимается исключительно тем, чтобы помочь людям лучше понять технологии возобновляемых источников энергии и окружающую среду.
электромагнетизм. Электрический ток течет по поверхности провода или внутри?
В случае переменного тока плотность тока падает экспоненциально с расстоянием от внешней поверхности провода («скин-эффект»), как объяснил Мартин Беккет. Это можно показать аналитически из квазистатического приближения к уравнениям Максвелла, как это сделано в главе 5 Джексона.
Случай постоянного тока более интересен. Во-первых, нужно указать внешнее электрическое поле ${\bf E}_0$, которое «толкает» ток. Обычно это считается равномерным и параллельным проволоке.
Токи в проводе имеют тенденцию притягиваться друг к другу и, следовательно, объединяться (известный как «эффект зажима»). Пинч-эффект постоянного тока обсуждается в http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119./1.1974305, http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.14075 и http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17271. Оказывается, уравнений Максвелла недостаточно для однозначного определения распределения плотности тока по сечению провода; вам также необходимо указать микроскопическую модель для носителей заряда.
С одной стороны, вы можете рассматривать как положительные, так и отрицательные носители заряда как полностью подвижные и с одинаковым отношением заряда к массе. Это хорошее описание проводимости тока через плазму, а плазменные зажимы могут быть достаточно сильными, чтобы раздавить металл.
С другой стороны, вы можете считать положительные заряды полностью стационарными в лабораторной системе координат, с фиксированной плотностью и «невосприимчивыми» к электромагнитным полям, при этом ток полностью обусловлен движением подвижных носителей отрицательного заряда.
Объединив эти требования, вы получите следующую картину: определите $R$ как радиус проволоки, $\rho_0$ как плотность положительных ионов в лабораторной системе координат (в которой они находятся в состоянии покоя), $\beta = v/c$, где $v$ — дрейфовая скорость электрона в лабораторной системе координат, а $\gamma = 1/\sqrt{1-\beta^2}$.
