Site Loader

Содержание

Что такое возвратный путь тока на печатной плате?

Знаете ли вы, как определить возвратный путь тока в конструкции платы?

 

Одним из основных аспектов любой электрической схемы является путь возвратного тока. Если на схеме путь, по которому идет ток, чтобы вернуться к полюсу низкого потенциала источника питания, должен быть очевиден, то он может быть не столь очевиден на плате. По словам великого Эрика Богатина (Eric Bogatin) на докладе PCB West 2019, различия между электрической схемой и топологией платы обитают в пустом пространстве схемы. Иными словами, для  более глубокого понимания того, как ток движется в устройстве, необходимо рассматривать топологию платы.

Геометрия трасс и внутренних слоев является лишь одним из аспектов, который определяет путь возвратных токов в плате. Сам сигнал, в некотором смысле, выбирает собственный возвратный путь. Если конструктор понимает, как геометрия и характеристики сигнала влияют на возвратный путь, становится проще определить возвратный путь для сигналов, не прибегая к использованию 2D- и 3D-анализаторов полей.

Мы говорим, что ток идет по пути наименьшего сопротивления, но это справедливо только для цепей постоянного тока. Для изменяющихся со временем сигналов, возвратный ток следует по пути наименьшего реактивного сопротивления, который также является путем наименьшего полного сопротивления. Это значит, что возвратный путь в плате определяется полным сопротивлением цепи, по которой идет возвратный ток.

Если это звучит неясно, немного рассмотрим структуру современной платы. Ток идет от источника по шине питания или по экранному слою, далее к компонентам и затем к слою земли, по которому он идет обратно к полюсу низкого потенциала источника. У всего этого пути есть некоторое полное сопротивление.

Из базового курса электроники мы помним, что полное сопротивление можно разделить на активную часть (не зависит от частоты) и реактивную (зависит от частоты). На самом деле, любая цепь в реальной печатной плате может вести себя как чисто резистивная, чисто емкостная или чисто индуктивная, в зависимости от геометрии, работы различных компонентов и частоты протекающего через цепь сигнала. Реальные линейные цепи на плате следует моделировать по крайней мере как RLC-цепи, даже если цепь не содержит дискретных конденсаторов или индуктивностей.

Почему цепь на плате работаете как RLC-цепь? Это происходит, поскольку смежные проводники разделены диэлектрической подложкой, что создает некоторую паразитную емкость. Индуктивность возникает, поскольку путь, по которому идет ток, формирует замкнутый контур и подложка обладает некоторой магнитной проницаемостью, поэтому у каждой цепи есть некоторая паразитная индуктивность. Эти паразитное сопротивление и сопротивление по постоянному току вносят свой вклад в полное сопротивление при прохождении сигнала по плате. В совокупности с геометрией трасс и плоскостей, они определяют путь, которому следует сигнал при возврате к источнику питания.

Чтобы понять, как в плате образуется возвратный путь тока, сначала на простом примере рассмотрим, что происходит с постоянным током. На виде сверху изображения ниже показаны трассы, идущие к микросхеме, на верхней стороне платы. В нижней части изображения показан внутренний слой земли. Два проводника разделены диэлектрической подложкой, что формирует емкость между двумя слоями. Обратите внимание, что символы конденсатора, показанные ниже, не означают наличие дискретных конденсаторов – воспринимайте их как часть модели с сосредоточенными параметрами. Обратите внимание, что это, по сути, причина того, что каждая трасса в плате является линией передачи.

Постоянный ток, который начинается на верхнем слое (в точке +5 V), следует прямо вдоль трассы, что является путем наименьшего сопротивления. После того, как ток покидает микросхему, он входит во внутренний слой через переходное отверстие и идет вдоль слоя земли, после чего возвращается к источнику питания на внешнем слое через другое переходное отверстие. Для постоянного тока реактивное сопротивление между внешним слоем и слоем земли бесконечно (и, соответственно, полное сопротивление), что означает, что ток не проходит прямо на подложку через сосредоточенную емкость. Когда ток переходит на слой земли, он идет по пути наименьшего сопротивления обратно к переходному отверстию. Обратите внимание, что этот путь наименьшего сопротивления является кратчайшим расстоянием (прямая желтая линия) между двумя переходными отверстиями.

 

Возвратный путь тока на плате для постоянного тока

 

Для изменяющихся со временем сигналов (будь то импульс, цифровой или аналоговый сигнал) ситуация иная. Поскольку напряжение и ток меняются со временем, сигнал может наводить ток смещения через сосредоточенную емкость в подложке, и этот ток затем будет идти в слое земли. Активное сопротивление не изменяется с частотой, в отличие от реактивного сопротивления, образованного емкостью подложки. Ток концентрируется под трассой сигнала, которая соответствует пути наименьшего сопротивления.

 

Возвратный путь тока в плате для изменяющихся со временем токов

 

Обратите внимание, что желтые линии, показанные на виде сверху, несколько смещены от трассы сигнала для более ясного представления, и вы можете видеть разницу между этими двумя случаями. Очевидно, ситуация усложняется при большем количестве трасс, компонентов и экранных слоев в плате. На самом деле, возвратный ток имеет примерно гауссово распределение под трассой на высоких частотах (мегагерцы и выше). На средних частотах (десятки килогерц) здесь всё ещё будет некоторый ток, который идет по пути постоянного тока. Посмотрите статью Брюса Арчамбо (Bruce Archambeault) (рисунки 3-5), чтобы понять, что происходит на средних частотах.

В платах смешанного типа, управление возвратными путями становится еще более важным, поскольку необходимо устранить наведение токов в аналоговой части платы цифровыми сигналами. Разделение топологии на аналоговую и цифровую части имеет большое значение для уменьшения перекрестных помех смешанных сигналов. Тем не менее, всё ещё необходимо прилагать усилия для определения возвратного пути в плате, чтобы предотвращать влияние сигнала любого из типов на чувствительные компоненты. Франческо Подерико (Francesco Poderico) привел отличный урок по тому, как определять возвратные пути в платах смешанного типа в недавней статье.

Если вы разбираетесь в анализе топологии своих проектов, то вам, скорее всего, не нужно запускать моделирование только для того, чтобы определить возвратные пути. Тем не менее, инструменты моделирования и 2D/3D-анализаторы полей всё ещё могут быть полезными и их можно использовать для проверки конструктивных решений и работы различных цепей на плате.

Благодаря мощным средствам проектирования и анализа плат Altium Designer вы можете проводить анализ всех аспектов схем и плат и устранять потенциальные проблемы целостности сигналов, которые возникают в сложных конструкциях плат. Эти средства являются частью унифицированного ядра проектирования, что позволяет проводить важные проверки правил в процессе проектирования. В вашем распоряжении также находится полный набор инструментов планирования производства и формирования документации – вс` в рамках единой платформы.

Вы можете загрузить бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли средствах создания схем, конструирования и анализа. Поговорите с экспертом Altium, чтобы узнать больше.

Нарисуйте № 1239 ГДЗ Физика 7-9 класс Перышкин А.В. – Рамблер/класс

Нарисуйте № 1239 ГДЗ Физика 7-9 класс Перышкин А.В. – Рамблер/класс

Интересные вопросы

Школа

Подскажите, как бороться с грубым отношением одноклассников к моему ребенку?

Новости

Поделитесь, сколько вы потратили на подготовку ребенка к учебному году?

Школа

Объясните, это правда, что родители теперь будут информироваться о снижении успеваемости в школе?

Школа

Когда в 2018 году намечено проведение основного периода ЕГЭ?

Новости

Будет ли как-то улучшаться система проверки и организации итоговых сочинений?

Вузы

Подскажите, почему закрыли прием в Московский институт телевидения и радиовещания «Останкино»?

На рисунке 141 по проводу А
ток идет от нас, перпендикулярно
плоскости рисунка, по проводу В — к
нам, перпендикулярно плоскости ри-

сунка. Нарисуйте расположение сило-
вых магнитных линий около проводов
A и В.

ответы

Нарисовала:

ваш ответ

Можно ввести 4000 cимволов

отправить

дежурный

Нажимая кнопку «отправить», вы принимаете условия  пользовательского соглашения

похожие темы

Экскурсии

Мякишев Г.Я.

Психология

Химия

похожие вопросы 5

Приготовление раствора сахара и расчёт его массовой доли в растворе. Химия. 8 класс. Габриелян. ГДЗ. Хим. практикум № 1. Практ. работа № 5.

Попробуйте провести следующий опыт. Приготовление раствора
сахара и расчёт его массовой доли в растворе.
Отмерьте мерным (Подробнее…)

ГДЗШкола8 классХимияГабриелян О.С.

ГДЗ Тема 21 Физика 7-9 класс А.В.Перышкин Задание №475 В обоих случаях поплавок плавает. В какую жидкость он погружается глубже?

Привет. Выручайте с ответом по физике…
Поплавок со свинцовым грузилом внизу опускают
сначала в воду, потом в масло. В обоих (Подробнее…)

ГДЗФизикаПерышкин А.В.Школа7 класс

ГДЗ Тема 21 Физика 7-9 класс А.В.Перышкин Задание №476 Изобразите силы, действующие на тело.

Привет всем! Нужен ваш совет, как отвечать…
Изобразите силы, действующие на тело, когда оно плавает на поверхности жидкости. (Подробнее…)

ГДЗФизикаПерышкин А.В.Школа7 класс

9. Определите ряд, в котором в обоих словах пропущена одна и та же буква. ЕГЭ-2017 Русский язык Цыбулько И. П. ГДЗ. Вариант 12.

9.
Определите ряд, в котором в обоих словах пропущена одна и та же буква. Выпишите
эти слова, вставив пропущенную букву. (Подробнее…)

ГДЗРусский языкЕГЭЦыбулько И.П.

11. Выпишите слово, в котором на месте пропуска пишется буква Е. Русский язык ЕГЭ-2017 Цыбулько И. П. ГДЗ. Вариант 12.

11.
Выпишите слово, в котором на месте пропуска пишется буква Е.
произнос., шь (Подробнее…)

ГДЗЕГЭРусский языкЦыбулько И.П.

Откуда у вас электричество?

Электрическая сеть обеспечивает электричеством каждый уголок США, но электричество, протекающее по проводам, не везде поступает из одних и тех же источников. В зависимости от того, где вы живете, электроэнергия, поступающая в вашу собственность, поступает из различных сочетаний генерирующих мощностей: от ископаемого топлива, такого как уголь и природный газ, до возобновляемых источников энергии, таких как гидроэлектроэнергия, биомасса, солнечная энергия и энергия ветра.


Еда на вынос


  • В целом Соединенные Штаты производят больше всего электроэнергии из природного газа — 40,5% всей производимой электроэнергии, если быть точным.
  • Возобновляемые источники энергии очень близки к тому, чтобы стать вторым по величине производителем электроэнергии в стране с 18,2% от общего объема производства.
  • Контролируйте, откуда поступает электричество, установив солнечную систему на крыше или подписавшись на общественную солнечную энергетику.

Что в этой статье?

  • Как узнать, откуда берется ваша энергия
  • Откуда берется электричество в вашем штате?
  • Национальные тенденции производства электроэнергии

Как узнать, откуда поступает электричество

Некоторое количество электроэнергии из сети питает все в наших домах, от небольших устройств до подключения к Интернету, освещения, холодильников и даже электромобилей. Большинство людей могут даже не думать об источнике этой энергии после регистрации в поставщике коммунальных услуг, который обслуживает их район. Однако узнать, откуда берется ваше электричество, не только легко, но и важно, чтобы ответственно подходить к выбору экологически безопасных решений в своей жизни. Вот несколько способов узнать, откуда берется ваша энергия.

1. Свяжитесь с коммунальным предприятием по номеру

Узнать, как вырабатывается электроэнергия, можно так же просто, как узнать информацию о вашем поставщике. Многие коммунальные предприятия публикуют информацию об источниках энергии, которые они получают в Интернете, избавляя вас от необходимости звонить. Однако иногда это не так просто, поскольку многие утилиты не публикуют эту информацию, потому что они не интегрированы вертикально. Хотя вы, возможно, сможете найти сочетание источников энергии от вертикально интегрированной коммунальной службы, которая вырабатывает собственную энергию с помощью таких устройств, как атомные электростанции и ветряные турбины, вы, вероятно, не сможете найти эту информацию у поставщиков, которые являются только дистрибьюторами, продающими энергии, вырабатываемой отдельными компаниями.

2. Используйте энергетическую отрасль и нормативные данные

Если вы получаете электроэнергию от невертикально интегрированной коммунальной службы или иным образом не можете найти сочетание источников энергии от своего поставщика, в вашем распоряжении все еще есть много ресурсов, чтобы найти Откуда у вас электричество. Используя такие карты Федеральной комиссии по регулированию энергетики (FERC), как эта, вы можете узнать, поступает ли ваша энергия от региональной передающей организации (RTO) или от независимого системного оператора (ISO). Если вы живете в районе, обслуживаемом одним из этих типов объектов, вы можете просто найти имя объекта рядом с вами и выполнить тот же процесс, что и при поиске энергетического баланса от вашей коммунальной службы. Используя эту информацию, вы сможете определить, генерируется ли ваша электроэнергия рядом с вами или поступает издалека.

3. Используйте местные данные из агрегаторов данных об энергетике

Если вы живете в районе, не обслуживаемом ни RTO, ни ISO, и ваша коммунальная служба не может предоставить вам точную информацию о том, откуда поступает электроэнергия, существуют также базы данных и возобновляемые источники энергии с очень конкретной местной информацией.

  • Управление энергетической информации США (EIA) также имеет исчерпывающий список инструментов и ресурсов, в котором подробно описывается, откуда поступает энергия по штатам и источникам.
  • У Агентства по охране окружающей среды (EPA) есть инструмент под названием Power Profiler, который позволяет вам ввести свой почтовый индекс, чтобы увидеть, откуда поступает энергия в вашем регионе.

The American Cities Climate Challenge Renewables Accelerator, программа возобновляемых источников энергии, спонсируемая Bloomberg, имеет собственный инструмент, где вы можете увидеть информацию на уровне штата о том, откуда поступает электричество.

Как работает электрическая сеть?

Электрическая сеть представляет собой сложную сеть генераторов электроэнергии (т. е. электростанций), а также линий передачи и распределительных линий электропередач, которые динамически реагируют на изменения в электроснабжении и спросе, чтобы обеспечить постоянную надежную поставку электроэнергии. Затем от генераторов электричество поступает на подстанции, которые с помощью трансформаторов преобразуют высоковольтную мощность в низковольтную. Эти электрические генераторы могут быть любого типа — от невозобновляемых угольных электростанций и электростанций, работающих на природном газе, до электростанций с возобновляемой чистой энергией.

Для поддержания функционирования энергосистемы требуется тонкий баланс между спросом и предложением, а также ряд высокоинтегрированных компонентов по всей стране. Сетевые операторы, такие как Калифорнийский независимый системный оператор (CAISO) и Региональный оператор электропередач Пенсильвании-Джерси-Мэриленда (PJM RTO), поддерживают этот баланс благодаря сочетанию информации о рынке и информации, а также прогнозов погоды, спроса и предложения, с целью предоставления недорогих и надежных услуг по электроснабжению высокого напряжения.

Откуда в вашем штате поступает электричество?

Общий объем электроэнергии, проходящей через энергосистему, поступает от тысяч отдельных генераторов, все они подключены и подают электроэнергию в энергосистему через распределительные сети. Эти генераторы используют все виды топлива — в основном, электросеть США переносит электроэнергию, вырабатываемую углем, природным газом, нефтью, ядерной энергией и возобновляемыми источниками энергии . От штата к штату точные проценты каждого источника генерации различаются:

How electricity is generated by state
7 0 9 0 8 8 0,0 8 90 0,0 % 90 57,1 % 7 8 2 9000 80 0 0 0 7 7
70987 3,8 % 908 908 7 0,0 % 900 7 0,08 9088 0,0% 90
7 9 0 8 8 0,8 90 8 90 3 07 0 0 9,088 0 9,088 0 07 0 0 9 0 8 0 0 8 7 9 0 8 8 0,0 8 90 0,0 % 90 0 7 0 9 080 0 9 0 8 0 8 0 9 0 8 0 8 0 9 0 8 0 8 0 9 0 8 0 8 0 7 60 0 0 0 9 0 9 0 8 8 8,8 9,8 % 7 0 0 8 4 9 0 8 4 0 8 9 0 8 9 0,0 % 90 0,0 % 9000 7 9 0 8 8 9 0 8 8 8,1 % 90 7 0,0% 9000 7 9 0 8 8 9 0 8 8 0,0 % 90
STATE Solar Other renewables Coal Natural gas Petroleum Nuclear Other
AK 0,0% 30,8% 11,5% 42,1% 15,7% 0,0% -0,1% 0,0 -0,1% 0,0% -0,1% 0,0% -0,1% 0,0% -0,1% 0,0% 0,0.
АЛ 0,5% 12,1% 15,8% 40,2% 0,0% 31,7% 0,0%
AR 0,5% 10,1% 28,2% 33,5% 0,1% 27.6% 0,0%
АЗ 5,3 % 6,7 % 12,6 % 46,5 % 0,0 % 0 07 0 9,0 7 0 9,0 7 0 9,0 7 0 9,0 7 0 9,0 7 0 9,0 7 0 9,0 80
СА 15,7% 26,9% 0,2% 47,7% 0,0% 8,4% 1,2%
СО 2,8 % 27,8 % 36,0 % 33,6 % -0,3 %
КТ 0,5 % 2,7 % 0,0 % 0,1 % 38,2 % 90
DC 6,3% 27,3% 0,0% 66,4% 0,0% 0,0% 0,0%
ДЭ 1,0 % 1,5 % 2,0 % 92,6 % 0,2 %
FL 2,6% 1,7% 6,6% 75,5% 0,7% 11,8% 908 908
ГА 3,1 % 8,4 % 11,6 %
49,3 %
0,2 % 0 27,3 % 9,3 %0088 0,0%
ИА 0,0 % 59,4 % 23,7 % 11,8 % 0,2 % 4,8 0,2 %
ID 3,2% 72,9% 0,1% 23,5% 0,0% 0,0%
ИЛ 0,0 % 9,7 % 18,0 % 14,1 % 0,0 % 57,8 % 0,38 0,38
ИН 0,4% 7,8% 53,0% 35,6% 0,1% 3,0% 9008
КС 0,1 % 44,1 % 31,1 % 5,1 % 0,1 % 0,07 0 0 9,0 7 0 9,0 7 0 9,0 8 0 9 0 8 0 9
КН 0,1% 8,4% 68,7% 22,6% 0,1% 0,0% 0,1%
ЛА 0,0 % 3,3 % 3,9 % 70,2 % 3,4 %
МА 7,7 % 9,3 % 0,0 % 77,8 % 0,2 %
МД 1,5% 7,2% 9,3% 39,1% 0,2% 41,9% 0,9%
МЭ 0,3% 76,5% 0,6% 19,0% 0,4%
МИ
0,1 %
9,1 % 26,2 % 34,2 % 0,9 % 0,07 0 9,0 70 0 9,0 7 0 9,0 7 0 9,0 7 0 9,0 7 0 9,0 7 0 9,0
МН 2,9% 24,8% 24,8% 20,9% 0,1% 26,0% 0,6%
МО 0,1 % 7,3 % 71,3 % 10,4 % 0,1 % 0 0 7 0 9 0 7 0 9 0 8 0 9 0 8 7
МС 0,6 % 2,1 % 6,9 % 80,6 % 0,0 % 9,8 % 9008 9008
MT 0,1% 59,3% 36,4% 1,2% 2,0% 0,0% 1,0%
НЗ 6,7 % 8,8 % 16,7 % 33,3 % 0,1 % 0 9,08 0 9,08 0 9,08
НД 0,0 % 38,1 % 58,1 % 3,5 % 0,1 %
СВ 0,1% 28,8% 51,0% 3,3% 0,0% 08090 9,08090 9,80
    8
NH 0,0 % 16,0 % 0,8 % 22,3 % 0,3 %
Нью-Джерси 2,1 % 1,1 % 1,5 % 50,1 % 0,1 % 3,8 % 90,8 % 90
НМ 5,1 % 22,0 % 37,5 % 35,2 % 0,1 %
НВ 13,7 % 15,1 % 4,8 % 66,3 % 0,0 % 0,0 % 0,8
NY 0,6% 27,6% 0,1% 40,9% 0,3% 0 807 0 9,08 0 9,87 0 9,87 %
ОН 0,1 % 2,8 % 37,2 % 43,3 % 1,0 % 0 9 0 9 0 9 0 8 0 8 8 0 9 0 8 0 9
ОК 0,1% 39,5% 7,2% 53,2% 0,0% 0,0% 0,0%
ИЛИ 1,7 % 65,8 % 2,6 % 29,9 % 0,0 %
ПА 0,1 % 3,4 % 10,2 % 52,5 % 0,0 % 0
РИ 2,2% 4,8% 0,0% 93,0% 0,1% 0,0% 0,0%
СК 1,7 % 5,3 % 12,6 % 24,6 % 0,1 % 0 07 0 0 9,0 7 0 9 0 8 0 8 0 9 0 8 0 8 0
SD 0,0 % 80,5 % 11,7 % 7,8 % 0,1 % 0,0 % 9008
ТН 0,4% 16,8% 17,7% 190,4% 0,1% 45,5% 0,0%
ТХ 1,8 % 20,0 % 16,6 % 52,1 % 0,0 %
UT 6,9 % 5,6 % 61,5 % 25,5 % 0,1 %
ВА 1,3% 4,2% 3,7% 60,8% 0,2% 29,2% 0,5%
ВТ 8,5 % 91,5 % 0,0 % 0,1 % 0,1 %
WA 0,0 % 75,0 % 4,5 % 12,1 % 0,0 %
Висконсин 0,2% 9,3% 38,7% 35,8% 0,2% 15,8% 0,0%
WV 0,0% 6,2% 88,6% 4,9% 0,3%
WY 0,4 % 15,7 % 79,4 % 3,3 % 0,1 %

Интересно, что эти проценты могут значительно колебаться! Например, Вермонт не получает электроэнергии из угля и более 90% из возобновляемых источников, в то время как в Юте ситуация почти обратная — 61,5% из угля и только 12,3% из возобновляемых источников. Эти различия проистекают из нескольких факторов, при этом политика играет важную роль.

Тенденции производства электроэнергии в стране

Как показано выше, спрос на электроэнергию и ее производство значительно варьируются в зависимости от штата. Однако большинство штатов по-прежнему получают большую часть электроэнергии из природного газа, и это отражено в общей структуре производства электроэнергии в США:

Производство электроэнергии в США по источникам
Источник Процент от общего объема производства
Уголь 19.3%
Природный газ 40,5%
Нефть 0,4%
Атомная 19,7%
Возобновляемые источники энергии 18,2%
Прочее 1,8%

В том, что 18,2 процента национального производства энергии приходится на возобновляемые источники энергии, гидроэлектроэнергия и энергия ветра лидируют с 7,1 процента и 8,4 процента производства соответственно. Вот как выглядит сочетание возобновляемых источников энергии в США:

Производство электроэнергии из возобновляемых источников в США по генерирующим источникам
Источник Доля от общего объема производства
Гидроэнергетика 7,1%
Ветер 8,4%
Солнечная 2,2%
Геотермальная 0,4%

Местная солнечная энергия в сети

Одна (все еще относительно небольшая) часть из 2,2 процентов электроэнергии в сети США, поступающей от солнечной энергии, приходится на коммунальную солнечную энергию — крупные централизованные солнечные электростанции, электрическая энергия которых более одного свойства. Общественная солнечная энергия пока доступна не во всех штатах, но в тех штатах, в которых есть активные проекты, они дают возможность сэкономить на счетах за электроэнергию, поддерживая добавление большего количества солнечной энергии в вашу местную сеть.

Хотите присоединиться к общественному проекту солнечной энергетики? На EnergySage Marketplace вы можете сравнить солнечные фермы в вашем районе, доступные для подписки. Несмотря на то, что экономия на солнечной энергии в сообществе, как правило, ниже, чем экономия, которую вы могли бы увидеть при использовании солнечной фотоэлектрической системы на крыше, не каждый может установить панели на своей территории. Особенно для людей, которые не владеют домом, в котором они живут (например, арендаторы), солнечная энергия в общине — отличный способ сэкономить деньги на электричестве.

Получайте электроэнергию от солнечной энергии и экономьте

Независимо от того, подходит ли вам система солнечных батарей на крыше или подписка на использование солнечной энергии в сообществе, оба являются эффективными способами сократить выбросы углекислого газа и парниковых газов, а также сэкономить деньги на счетах за электроэнергию за счет использования возобновляемых источников энергии. В случае общественной солнечной энергии вы не обязательно получаете электроны от солнечной энергии прямо в свой дом, но вы вносите свой вклад в больший процент энергосистемы, поступающей от солнечной энергии. Помогите свести к минимуму последствия изменения климата уже сегодня и начните использовать солнечную энергию на крышах или в общественных местах!


Опубликовано Джейкобом Маршем.Категории: Солнечная 101Теги: изменение климата, уголь, ископаемое топливо, геотермальная энергия, устойчивость, энергия ветра часть повседневной жизни. Это повсюду вокруг нас, иногда смешное и очевидное, например, когда волосы встают дыбом, иногда скрытое и полезное, например, когда оно используется электроникой в ​​вашем мобильном телефоне. Сухие зимние месяцы — разгар сезона для неприятной обратной стороны статического электричества — электрических разрядов, таких как крошечные молнии, когда вы касаетесь дверных ручек или теплых одеял, только что вынутых из сушилки для белья.

Статическое электричество — одно из древнейших научных явлений, наблюдаемых и описанных людьми. Греческий философ Фалес Милетский сделал первый отчет; в его шестом веке до н.э. В сочинениях он отмечал, что если янтарь достаточно сильно натереть, к нему начнут прилипать мелкие частицы пыли. Триста лет спустя Теофраст продолжил эксперименты Фалеса, растирая различные виды камней, а также наблюдал «силу притяжения». Но ни один из этих естествоиспытателей не нашел удовлетворительного объяснения увиденному.

Прошло еще почти 2000 лет, прежде чем английское слово «электричество» было впервые придумано на основе латинского «electricus», что означает «подобный янтарю». Некоторые из самых известных экспериментов были проведены Бенджамином Франклином в его стремлении понять механизм, лежащий в основе электричества, что является одной из причин, почему его лицо улыбается, когда он смотрит на купюру в 100 долларов США. Люди быстро осознали потенциальную полезность электричества.

Конечно, в 18 веке люди в основном использовали статическое электричество в фокусах и других представлениях. Например, «эксперимент с летающим мальчиком» Стивена Грея стал популярной публичной демонстрацией: он использовал лейденскую банку, чтобы зарядить юношу, подвешенного на шелковых шнурах, а затем показал, как он может переворачивать книжные страницы с помощью статического электричества или поднимать маленькие объекты только с помощью статического притяжения.

Опираясь на идеи Франклина, в том числе на его осознание того, что электрический заряд бывает положительным и отрицательным, и что общий заряд всегда сохраняется, сегодня мы понимаем на атомном уровне, что вызывает электростатическое притяжение, почему оно может вызывать мини-молнии и как использовать то, что может быть неприятно, для использования в различных современных технологиях.

Что это за крошечные искры?

Статическое электричество сводится к силе взаимодействия между электрическими зарядами. В атомном масштабе отрицательные заряды переносятся крошечными элементарными частицами, называемыми электронами. Большинство электронов аккуратно упаковано внутри массы материи, будь то твердый и безжизненный камень или мягкая живая ткань вашего тела. Однако многие электроны также сидят прямо на поверхности любого материала. Каждый отдельный материал удерживает эти поверхностные электроны со своей собственной характерной силой. Если два материала трутся друг о друга, электроны могут вырваться из «более слабого» материала и оказаться на материале с более сильной силой связи.

Этот перенос электронов — то, что мы знаем как искру статического электричества — происходит постоянно. Печально известными примерами являются дети, скользящие по горке на игровой площадке, шаркающие ноги по ковру или кто-то, снимающий шерстяные перчатки, чтобы пожать друг другу руки.

Но чаще мы замечаем его действие в сухие зимние месяцы, когда воздух имеет очень низкую влажность. Сухой воздух является электрическим изолятором, тогда как влажный воздух действует как проводник. Вот что происходит: в сухом воздухе электроны захватываются поверхностью с более сильной силой связи. В отличие от того, когда воздух влажный, они не могут найти путь обратно к поверхности, откуда пришли, и не могут снова сделать распределение зарядов равномерным.

Статическая электрическая искра возникает, когда объект с избытком отрицательных электронов приближается к другому объекту с меньшим отрицательным зарядом — и избыток электронов достаточно велик, чтобы заставить электроны «прыгать». Электроны текут от того места, где они накопились — например, от вас, когда вы идете по шерстяному ковру, — к следующему предмету, с которым вы соприкасаетесь, в котором нет избытка электронов, например к дверной ручке.

Когда электронам некуда деваться, заряд накапливается на поверхностях — пока не достигает критического максимума и не разряжается в виде крошечной молнии. Дайте электронам место, куда они могут уйти — например, ваш вытянутый палец — и вы наверняка почувствуете разряд.

Сила мини-искр

Хотя иногда это раздражает, количество заряда статического электричества обычно довольно мало и довольно безобидно. Напряжение может примерно в 100 раз превышать напряжение обычных розеток. Однако об этих огромных напряжениях не о чем беспокоиться, поскольку напряжение — это просто мера разницы зарядов между объектами. «Опасной» величиной является ток, который говорит о том, сколько электронов течет. Поскольку обычно в статическом электрическом разряде передается только несколько электронов, эти разряды довольно безвредны.

Тем не менее, эти маленькие искры могут быть фатальными для чувствительной электроники, такой как аппаратные компоненты компьютера. Небольших токов, переносимых всего несколькими электронами, может быть достаточно, чтобы случайно поджарить их. Вот почему работники электронной промышленности должны оставаться «заземленными». Быть заземленным означает просто поддерживать проводную связь с землей, которая для электронов выглядит как пустая магистраль «домой». Самостоятельное заземление легко выполнить, прикоснувшись к металлическому компоненту или подержав ключ в руке. Металлы являются очень хорошими проводниками, и поэтому электроны с удовольствием перемещаются туда.

Более серьезную угрозу представляет электрический разряд вблизи легковоспламеняющихся газов. Вот почему рекомендуется заземлиться, прежде чем прикасаться к насосам на заправочных станциях; вы не хотите, чтобы случайная искра сожгла какие-либо случайные пары бензина. Или вы можете инвестировать в антистатический браслет, широко используемый работниками электронной промышленности для безопасного заземления людей, прежде чем они будут работать с очень чувствительными электронными компонентами. Они предотвращают накопление статического электричества благодаря проводящей ленте, которая обвивается вокруг запястья

В повседневной жизни лучший способ уменьшить накопление заряда — использовать увлажнитель воздуха для повышения влажности воздуха. Также большое значение имеет поддержание влажности кожи с помощью увлажняющего крема. Салфетки для сушки предотвращают накопление зарядов во время сушки одежды, нанося на ткань небольшое количество кондиционера для белья. Эти положительные частицы уравновешивают свободные электроны, а эффективный заряд сводится к нулю, а это означает, что ваша одежда не будет выходить из сушилки липкой и прилипшей друг к другу. Вы также можете натереть ковры смягчителем ткани, чтобы предотвратить накопление заряда. И последнее, но не менее важное: хлопчатобумажная одежда и обувь на кожаной подошве — лучший выбор, а не шерстяная одежда и обувь на резиновой подошве, если вы действительно сталкивались со статическим электричеством.

Использование статического электричества

Несмотря на неудобства и возможные опасности статического электричества, оно определенно имеет свои преимущества.

Многие повседневные приложения современных технологий в решающей степени зависят от статического электричества. Например, машины Xerox и копировальные аппараты используют электрическое притяжение, чтобы «приклеить» заряженные тональные частицы к бумаге. Освежители воздуха не только придают комнате приятный запах, но и действительно устраняют неприятные запахи, разряжая статическое электричество на частицы пыли, тем самым скрывая неприятный запах.

Точно так же дымовые трубы на современных фабриках используют заряженные пластины для уменьшения загрязнения. Когда частицы дыма движутся вверх по дымовой трубе, они накапливают отрицательные заряды на металлической сетке. После зарядки они притягиваются к положительно заряженным пластинам на других сторонах дымовой трубы. Наконец, заряженные частицы дыма собираются на поддоне из сборных пластин и могут быть утилизированы.

Статическое электричество также нашло применение в нанотехнологиях, где оно используется, например, для захвата отдельных атомов лазерными лучами. Затем этими атомами можно манипулировать для самых разных целей, например, в различных вычислительных приложениях. Еще одно интересное применение в нанотехнологии — управление наношарами, которые с помощью статического электричества можно переключать между надутым и сжатым состоянием. Эти молекулярные машины однажды смогут доставлять лекарства к определенным тканям тела.

С момента открытия статического электричества прошло два с половиной тысячелетия. Тем не менее это любопытно, неприятно, но также доказано, что это важно для нашей повседневной жизни.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *