Содержание
Электротехника для чайников | AlexGyver
Начнем пожалуй с понятия электричества. Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля. В качестве частиц могут выступать свободные электроны металла, если ток течет по металлическому проводу, или ионы, если ток течет в газе или жидкости.
Есть ещё ток в полупроводниках, но это отдельная тема для разговора. Как пример можно привести высоковольтный трансформатор из микроволновки – сначала электроны бегут по проводам, затем ионы движутся между проводами, соответственно сначала ток идет через металл, а потом через воздух. Вещество называются проводником или полупроводником, если в нём есть частицы, способные переносить электрический заряд. Если таких частиц нет, то такое вещество называется диэлектриком, оно не проводит электричество. Заряженные частицы несут на себе электрический заряд, который измеряется обозначается q в кулонах.
Единица измерения силы тока называется Ампер и обозначается буковой I, ток величиной в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда величиной 1 Кулон за 1 секунду, то есть грубо говоря сила тока измеряется в кулонах секунду.
И по сути сила тока это количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем больше заряженных частиц бежит по проводу, тем соответственно больше ток.
Чтобы заставить заряженные частицы перемещаться от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Напряжение измеряется в вольтах и обозначается буквой V или U. Чтобы получить напряжение величиной 1 Вольт нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж. Согласен, немного непонятно.
Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под действием силы тяжести вытекает через трубу. Пусть вода – это электрический заряд, высота водяного столба – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток. Точнее не скорость потока, а количество вытекающей за секунду воды. Вы понимаете, что чем выше уровень воды, тем больше будет давление внизу А чем выше давление внизу, тем больше воды вытечет через трубу, потому что скорость будет выше.
. Аналогично чем выше напряжение, тем больший ток будет течь в цепи.
Зависимость между всеми тремя рассмотренными величинами в цепи постоянного тока определяет закон ома, который выражается вот такой формулой, и звучит как сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна сопротивлению. Чем больше сопротивление, тем меньше ток, и наоборот.
Добавлю ещё пару слов про сопротивление. Его можно измерить, а можно посчитать. Допустим у нас есть проводник, имеющий известную длину и площадь поперечного сечения. Квадратный, круглый, неважно. Разные вещества имеют разное удельное сопротивление, и для нашего воображаемого проводника существует вот такая формула, определяющая зависимость между длиной, площадью поперечного сечения и удельным сопротивлением.
Удельное сопротивление веществ можно найти в интернете в виде таблиц.
Можно опять же провести аналогию с водой: вода течёт по трубе, пусть труба имеет удельную шершавость.
Логично предположить, что чем длиннее и уже труба, тем меньше воды будет по ней протекать за единицу времени. Видите, как всё просто? Формулу даже запоминать не нужно, достаточно представить себе трубу с водой.
Что касается измерения сопротивления, то нужен прибор, омметр. В наше время более популярны универсальные приборы – мультиметры, они измеряют и сопротивление, и ток, и напряжение, и ещё кучу всего. Давайте проведём эксперимент. Я возьму отрезок нихромовой проволоки известной длины и площади сечения, найду удельное сопротивление на сайте где я её купил и посчитаю сопротивление. Теперь этот же кусочек измерю при помощи прибора. Для такого маленького сопротивления мне придется вычесть сопротивление щупов моего прибора, которое равно 0.8 Ом. Вот так вот!
Шкала мультиметра разбита по размерам измеряемых величин, это сделано для более высокой точности измерения. Если я хочу измерить резистор с номиналом 100 кОм, я ставлю рукоятку на большее ближайшее сопротивление. В моём случае это 200 килоом.
Если хочу измерить 1 килоом, то ставлю на 2 ком. Это справедливо для измерения остальных величин. То есть на шкале отложены пределы измерения, в который нужно попасть.
Давайте продолжим развлекаться с мультиметром и попробуем измерить остальные изученные величины. Возьму несколько разных источников постоянного тока. Пусть это будет блок питания на 12 вольт, юсб порт и трансформатор, который в своей молодости сделал мой дед. Напряжение на этих источниках мы можем измерить прямо сейчас, подключив вольтметр параллельно, то есть непосредственно к плюсу и к минусу источников. С напряжением всё понятно, его можно взять и измерить. А вот чтобы измерить силу тока, нужно создать электрическую цепь, по которой будет протекать ток. В электрической цепи обязательно должен быть потребитель, или нагрузка. Давайте подключим потребитель к каждому источнику. Кусочек светодиодной ленты, моторчик и резистор на (160 ом).
Давайте измерим ток, протекающий в цепях. Для этого переключаю мультиметр в режим измерения силы тока и переключаю щуп во вход для тока.
Амперметр подключается в цепь последовательно измеряемому объекту. Вот схема, её тоже следует помнить и не путать с подключением вольтметра. Кстати существует такая штуковина как токовые клещи. Они позволяют измерять силу тока в цепи без подключения непосредственно к цепи. То есть не нужно отсоединять провода, просто накидываешь их на провод и они измеряют. Ну ладно, вернёмся к нашему обычному амперметру.
Итак, я измерил все токи. Теперь мы знаем, какой ток потребляется в каждой цепи. Здесь у нас светятся светодиоды, здесь крутится моторчик а здесь…. Так стоять, а че делает резистор? Он не поёт нам песни, не освещает комнату и не вращает никакой механизм. Так на что он тратит целых 90 миллиампер? Так не пойдёт, давайте разбираться. Слышь ты! Ау, он горячий! Так вот куда расходуется энергия! А можно ли как-то посчитать, что здесь за энергия? Оказывается – можно. Закон, описывающий тепловое действие электрического тока был открыт в 19 веке двумя учеными, Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцем.
Закон назвали закон Джоуля-Ленца. Он выражается вот такой формулой, и численно показывает, сколько джоулей энергии выделяется в проводнике, в котором течёт ток, за единицу времени. Из этого закона можно найти мощность, которая выделяется на этом проводнике, мощность обозначается английской буквой Р и измеряется в ваттах.
Таким образом у меня на столе электрическая мощность идёт на освещение, на совершение механической работы и на нагрев окружающего воздуха. Кстати именно на этом принципе работают различные нагреватели, электрочайники, фены, паяльники и прочее. Там везде стоит тоненькая спираль, которая нагревается под действием тока.
Этот момент стоит учитывать при подведении проводов к нагрузке, то есть прокладка проводки к розеткам по квартире тоже входит в это понятие. Если вы возьмете для подведения к розетке слишком тонкий провод и подключите в эту розетку компьютер, чайник и микроволновку, то провод может нагреться вплоть до возникновения пожара. Поэтому есть вот такая табличка, которая связывает площадь поперечного сечения проводов с максимальной мощностью, которая по этим проводам будет идти.
Если вздумаете тянуть провода – не забудьте об этом.
Также в рамках этого выпуска хотелось бы напомнить особенности параллельного и последовательного соединения потребителей тока. При последовательном соединении сила тока одинакова на всех потребителях, напряжение разделилось на части, а общее сопротивление потребителей представляет собой сумму всех сопротивлений. При параллельном соединении напряжение на всех потребителях одинаково, сила тока разделилась, а общее сопротивление вычисляется вот по такой формуле.
Из этого вытекает один очень интересный момент, который можно использовать для измерения силы тока. Допустим нужно измерить силу тока в цепи около 2 ампер. Амперметр с этой задачей не справляется, поэтому можно использовать закон ома в чистом виде. Знаем, что сила тока одинакова при последовательном соединении. Возьмём резистор с очень маленьким сопротивлением и вставим его последовательно нагрузке. Измерим на нём напряжение. Теперь, пользуясь законом ома, найдём силу тока.
Как видите, она совпадает с расчётом ленты. Здесь главное помнить, что этот добавочный резистор должен быть как можно меньшего сопротивления, чтобы оказывать минимальное влияние на измерения.
Есть ещё один очень важный момент, о котором нужно знать. Все источники имеют максимальный отдаваемый ток, если этот ток превысить – источник может нагреться, выйти из строя, а в худшем случае ещё и загореться. Самый благоприятный исход это когда источник имеет защиту от перегрузки по току, в таком случае он просто отключит ток. Как мы помним из закона ома, чем меньше сопротивление, тем выше ток. То есть если взять в качестве нагрузки кусок провода, то есть замкнуть источник самого на себя, то сила тока в цепи подскочит до огромных значений, это называется короткое замыкание. Если вы помните начало выпуска, то можете провести аналогию с водой. Если подставить нулевое сопротивление в закон ома то мы получим бесконечно большой ток. На практике такое конечно не происходит, потому что источник имеет внутреннее сопротивление, которое подключено последовательно.
Этот закон называется закон ома для полной цепи. Таким образом ток короткого замыкания зависит от величины внутреннего сопротивления источника.
Сейчас давайте вернёмся к максимальному току, который может выдать источник. Как я уже говорил, силу тока в цепи определяет нагрузка. Многие писали мне вк и задавали примерно вот такой вопрос, я его слегка утрирую: Саня, у меня есть блок питания на 12 вольт и 50 ампер. Если я подключу к нему маленький кусочек светодиодной ленты, она не сгорит? Нет, конечно же она не сгорит. 50 ампер – это максимальный ток, который способен выдать источник. Если ты подключишь к нему кусочек ленты, она возьмёт свои ну допустим 100 миллиампер, и все. Ток в цепи будет равен 100 миллиампер, и никто никуда не будет гореть. Другое дело, если возьмёшь километр светодиодной ленты и подключишь его к этому блоку питания, то ток там будет выше допустимого, и блок питания скорее всего перегреется и выйдет из строя. Запомните, именно потребитель определяет величину тока в цепи.
Этот блок может выдать максимум 2 ампера, и когда я закорачиваю его на болтик, с болтиком ничего не происходит. А вот блоку питания это не нравится, он работает в экстремальных условиях. А вот если взять источник, способный выдать десятки ампер, такая ситуация не понравится уже болтику.
Давайте для примера произведём расчёт блока питания, который потребуется для питания известного отрезка светодиодной ленты. Итак, закупили мы у китайцев катушку светодиодной ленты и хотим запитать три метра этой самой ленты. Для начала идём на страницу товара и пытаемся найти, сколько ватт потребляет один метр ленты. Эту информацию я найти не смог, поэтому есть вот такая табличка. Смотрим, что у нас за лента. Диоды 5050, 60 штук на метр. И видим, что мощность составляет 14 ватт на метр. Я хочу 3 метра, значит мощность будет 42 ватта. Блок питания желательно брать с запасом на 30% по мощности, чтобы он не работал в критическом режиме. В итоге получаем 55 ватт. Ближайший подходящий блок питания будет на 60 ватт.
Из формулы мощности выражаем силу тока и находим её, зная, что светодиоды работают при напряжении 12 вольт. Выходит, нам нужен блок с током 5 ампер. Заходим, например, на али, находим, покупаем.
Очень важно знать потребляемый ток при изготовлении всяких USB самоделок. Максимальный ток, который можно взять от USB, составляет 500 миллиампер, и его лучше не превышать.
И напоследок коротенько о технике безопасности. Здесь вы можете видеть, до каких значений электричество считается неопасным для жизни человека.
Как осуществляется передача электрической энергии?
Передача электрической энергии от электрических станций до потребителей осуществляется по электрическим сетям. Электросетевое хозяйство — естественно-монопольный сектор электроэнергетики: потребитель может выбирать, у кого покупать электроэнергию (то есть энергосбытовую компанию), энергосбытовая компания может выбирать среди оптовых поставщиков (производителей электроэнергии), однако сеть, по которой поставляется электроэнергия, как правило, одна, и потребитель технически не может выбирать электросетевую компанию.
С технической точки зрения, электрическая сеть представляет собой совокупность линий электропередачи (ЛЭП) и трансформаторов, находящихся на подстанциях.
Линии электропередачи представляют собой металлический проводник, по которому проходит электрический ток. В настоящее время практически повсеместно используется переменный ток. Электроснабжение в подавляющем большинстве случаев — трёхфазное, поэтому линия электропередачи, как правило, состоит из трёх фаз, каждая из которых может включать в себя несколько проводов. Конструктивно линии электропередачи делятся на воздушные и кабельные.
Воздушные ЛЭП подвешены над поверхностью земли на безопасной высоте на специальных сооружениях, называемых опорами. Как правило, провод на воздушной линии не имеет поверхностной изоляции; изоляция имеется в местах крепления к опорам. На воздушных линиях имеются системы грозозащиты. Основным достоинством воздушных линий электропередачи является их относительная дешевизна по сравнению с кабельными.
Также гораздо лучше ремонтопригодность (особенно в сравнении с бесколлекторными КЛ): не требуется проводить земляные работы для замены провода, ничем не затруднён визуальный осмотр состояния линии. Однако, у воздушных ЛЭП имеется ряд недостатков:
широкая полоса отчуждения: в окрестности ЛЭП запрещено ставить какие-либо сооружения и сажать деревья; при прохождении линии через лес, деревья по всей ширине полосы отчуждения вырубаются;
незащищённость от внешнего воздействия, например, падения деревьев на линию и воровства проводов; несмотря на устройства грозозащиты, воздушные линии также страдают от ударов молнии. По причине уязвимости, на одной воздушной линии часто оборудуют две цепи: основную и резервную;
эстетическая непривлекательность; это одна из причин практически повсеместного перехода на кабельный способ электропередачи в городской черте.
Кабельные линии (КЛ) проводятся под землёй. Электрические кабели имеют различную конструкцию, однако можно выявить общие элементы.
Сердцевиной кабеля являются три токопроводящие жилы (по числу фаз). Кабели имеют как внешнюю, так и междужильную изоляцию. Обычно в качестве изолятора выступает трансформаторное масло в жидком виде, или промасленная бумага. Токопроводящая сердцевина кабеля, как правило, защищается стальной бронёй. С внешней стороны кабель покрывается битумом. Бывают коллекторные и бесколлекторные кабельные линии. В первом случае кабель прокладывается в подземных бетонных каналах — коллекторах. Через определённые промежутки на линии оборудуются выходы на поверхность в виде люков — для удобства проникновения ремонтных бригад в коллектор. Бесколлекторные кабельные линии прокладываются непосредственно в грунте. Бесколлекторные линии существенно дешевле коллекторных при строительстве, однако их эксплуатация более затратна в связи с недоступностью кабеля. Главным достоинством кабельных линий электропередачи (по сравнению с воздушными) является отсутствие широкой полосы отчуждения. При условии достаточно глубокого заложения, различные сооружения (в том числе жилые) могут строиться непосредственно над коллекторной линией.
В случае бесколлекторного заложения строительство возможно в непосредственной близости от линии. Кабельные линии не портят своим видом городской пейзаж, они гораздо лучше воздушных защищены от внешнего воздействия. К недостаткам кабельных линий электропередачи можно отнести высокую стоимость строительства и последующей эксплуатации: даже в случае бесколлекторной укладки сметная стоимость погонного метра кабельной линии в разы выше, чем стоимость воздушной линии того же класса напряжения. Кабельные линии менее доступны для визуального наблюдения их состояния (а в случае бесколлекторной укладки — вообще недоступны), что также является существенным эксплуатационным недостатком.
Вернуться назад
Что такое электричество? — SparkFun Узнать
Авторы:
Джимблом
Избранное
Любимый
81
Приступая к работе
Электричество окружает нас повсюду, питая такие технологии, как мобильные телефоны, компьютеры, фонари, паяльники и кондиционеры.
Избежать этого в нашем современном мире очень сложно. Даже когда вы пытаетесь убежать от электричества, оно все равно работает в природе, от молнии во время грозы до синапсов внутри нашего тела. А что именно это электричество? Это очень сложный вопрос, и по мере того, как вы копаете глубже и задаете новые вопросы, на самом деле нет окончательного ответа, а есть только абстрактные представления о том, как электричество взаимодействует с нашим окружением.
Электричество — это природное явление, которое встречается повсюду в природе и принимает множество различных форм. В этом уроке мы сосредоточимся на текущем электричестве: материале, который питает наши электронные гаджеты. Наша цель — понять, как электричество течет от источника питания по проводам, зажигая светодиоды, вращая двигатели и приводя в действие наши устройства связи.
Электричество кратко определяется как поток электрического заряда, , но за этим простым утверждением скрывается так много всего.
Откуда берутся обвинения? Как мы их перемещаем? Куда они переезжают? Как электрический заряд вызывает механическое движение или зажигает свет? Так много вопросов! Чтобы начать объяснять, что такое электричество, нам нужно перейти от материи и молекул к атомам, из которых состоит все, с чем мы взаимодействуем в жизни.
Этот учебник основан на некотором базовом понимании физики, силы, энергии, атомов и [полей] (http://en.wikipedia.org/wiki/Field_(physics)) в частности. Мы коснемся основ каждой из этих физических концепций, но также может оказаться полезным обратиться к другим источникам.
Становимся атомными
Чтобы понять основы электричества, нам нужно начать с изучения атомов, одного из основных строительных блоков жизни и материи. Атомы существуют в более чем сотне различных форм в виде химических элементов, таких как водород, углерод, кислород и медь. Атомы многих типов могут объединяться, образуя молекулы, которые создают материю, которую мы можем физически увидеть и потрогать.
Атомы крошечные , растягивающиеся максимум до 300 пикометров в длину (это 3×10 -10 или 0,0000000003 метра). Медный пенни (если он на самом деле сделан из 100% меди) содержал бы внутри 3,2×10 22 атомов (32 000 000 000 000 000 000 000 атомов) меди.
Даже атом недостаточно мал, чтобы объяснить действие электричества. Нам нужно нырнуть еще на один уровень вниз и посмотреть на строительные блоки атомов: протоны, нейтроны и электроны.
Строительные блоки атомов
Атом состоит из комбинации трех отдельных частиц: электронов, протонов и нейтронов. Каждый атом имеет центральное ядро, в котором плотно упакованы протоны и нейтроны. Вокруг ядра находится группа вращающихся электронов.
Очень простая модель атома. Это не в масштабе, но полезно для понимания того, как построен атом. Ядро ядра протонов и нейтронов окружено вращающимися электронами.
В каждом атоме должен быть хотя бы один протон. Количество протонов в атоме важно, потому что оно определяет, какой химический элемент представляет собой атом.
Например, атом с одним протоном — это водород, атом с 29 протонами — это медь, а атом с 94 протонами — это плутоний. Это число протонов называется числом 9 атомов.0015 атомный номер .
Партнер ядра протона, нейтрон, служит важной цели; они удерживают протоны в ядре и определяют изотоп атома. Они не имеют решающего значения для нашего понимания электричества, поэтому давайте не будем о них беспокоиться в этом уроке.
Электроны имеют решающее значение для работы электричества (обратите внимание на общую тему в их названиях?) В наиболее стабильном, сбалансированном состоянии атом будет иметь такое же количество электронов, как и протоны. Как и в приведенной ниже модели атома Бора, ядро с 29протонов (что делает его атомом меди) окружено равным количеством электронов.
По мере того, как развивалось наше понимание атомов, развивался и наш метод их моделирования. Модель Бора — очень полезная модель атома, когда мы изучаем электричество.
Электроны атома не навсегда связаны с атомом.
Электроны на внешней орбите атома называются валентными электронами. При достаточной внешней силе валентный электрон может уйти с орбиты атома и стать свободным. Свободные электроны позволяют нам перемещать заряды, а это и есть электричество. Говоря о заряде…
Текущие заряды
Как мы упоминали в начале этого урока, электричество определяется как поток электрического заряда. Заряд — это свойство материи, такое же, как масса, объем или плотность. Это измеримо. Точно так же, как вы можете количественно определить массу чего-либо, вы можете измерить и его заряд. Ключевой концепцией заряда является то, что он может быть двух типов: положительный (+) или отрицательный (-) .
Для перемещения заряда нам нужно носителей заряда , и здесь нам пригодятся наши знания об атомных частицах, особенно об электронах и протонах. Электроны всегда несут отрицательный заряд, а протоны всегда положительно заряжены.
Нейтроны (в соответствии со своим названием) нейтральны, у них нет заряда. И электроны, и протоны несут один и тот же заряд , только разного типа.
Модель атома лития (3 протона) с помеченными зарядами.
Заряд электронов и протонов важен, потому что он дает нам возможность воздействовать на них силой. Электростатическая сила!
Электростатическая сила
Электростатическая сила (также называемая законом Кулона) — это сила, действующая между зарядами. Он гласит, что заряды одного типа отталкиваются друг от друга, а заряды противоположного типа притягиваются друг к другу. Противоположности притягиваются, а подобное отталкивается .
Величина силы, действующей на два заряда, зависит от того, насколько они удалены друг от друга. Чем ближе два заряда, тем больше становится сила (либо сталкивающая, либо отталкивающая).
Благодаря электростатической силе электроны будут отталкивать другие электроны и притягиваться к протонам.
Эта сила является частью «клея», который удерживает атомы вместе, но это также и инструмент, который нам нужен, чтобы заставить электроны (и заряды) течь!
Обеспечение потока платежей
Теперь у нас есть все инструменты для обеспечения потока платежей. Электроны в атомах могут действовать как наши носители заряда , потому что каждый электрон несет отрицательный заряд. Если мы сможем освободить электрон от атома и заставить его двигаться, мы сможем создать электричество.
Рассмотрим атомную модель атома меди, одного из предпочтительных источников элементов для потока заряда. В сбалансированном состоянии медь имеет 29 протонов в ядре и такое же количество электронов, вращающихся вокруг него. Электроны вращаются на разных расстояниях от ядра атома. Электроны ближе к ядру испытывают гораздо более сильное притяжение к центру, чем те, которые находятся на дальних орбитах. Самые внешние электроны атома называются валентными электронами , они требуют наименьшего количества силы, чтобы освободиться от атома.
Это схема атома меди: 29 протонов в ядре, окруженные полосами вращающихся электронов. Электроны, находящиеся ближе к ядру, трудно удалить, в то время как валентному (внешнему кольцу) электрону требуется относительно небольшая энергия для выброса из атома.
Применяя достаточную электростатическую силу к валентному электрону — либо отталкивая его другим отрицательным зарядом, либо притягивая его положительным зарядом, — мы можем сбросить электрон с орбиты вокруг атома, создав свободный электрон.
Теперь рассмотрим медную проволоку: вещество, наполненное бесчисленными атомами меди. Поскольку наш свободный электрон плавает в пространстве между атомами, его притягивают и толкают окружающие заряды в этом пространстве. В этом хаосе свободный электрон в конце концов находит новый атом, за который можно зацепиться; при этом отрицательный заряд этого электрона выбрасывает из атома другой валентный электрон. Теперь новый электрон дрейфует в свободном пространстве, пытаясь сделать то же самое.
Этот цепной эффект может продолжаться и дальше, создавая поток электронов, называемый электрический ток .
Очень упрощенная модель зарядов, протекающих через атомы для создания тока.
Проводимость
Некоторые типы атомов лучше других выделяют свои электроны. Чтобы получить наилучший возможный поток электронов, мы хотим использовать атомы, которые не очень сильно удерживают свои валентные электроны. Электропроводность элемента измеряет, насколько прочно электрон связан с атомом.
Элементы с высокой проводимостью, которые имеют очень подвижные электроны, называются проводники . Это типы материалов, которые мы хотим использовать для изготовления проводов и других компонентов, способствующих электронному потоку. Такие металлы, как медь, серебро и золото, обычно являются лучшими проводниками.
Элементы с низкой проводимостью называются изоляторами . Изоляторы служат очень важной цели: они предотвращают поток электронов.
Популярные изоляторы включают стекло, резину, пластик и воздух.
Прежде чем мы двинемся дальше, давайте обсудим две формы электричества: статическое или электрическое. При работе с электроникой токовое электричество будет гораздо более распространенным, но также важно понимать статическое электричество.
Статическое электричество
Статическое электричество возникает при накоплении противоположных зарядов на объектах, разделенных изолятором. Статическое (как в «покое») электричество существует до тех пор, пока две группы противоположных зарядов не найдут путь друг к другу, чтобы сбалансировать систему.
Когда заряды находят способ выравнивания, происходит статический разряд . Притяжение зарядов становится настолько сильным, что они могут течь даже через самые лучшие изоляторы (воздух, стекло, пластмассу, резину и т. д.). Статические разряды могут быть вредными в зависимости от того, через какую среду проходят заряды и на какие поверхности они переносятся.
Выравнивание зарядов через воздушный зазор может привести к видимому удару, поскольку движущиеся электроны сталкиваются с электронами в воздухе, которые возбуждаются и выделяют энергию в виде света.
Воспламенители с искровым разрядником используются для создания контролируемого статического разряда. Противоположные заряды накапливаются на каждом из проводников, пока их притяжение не становится настолько большим, что заряды могут течь по воздуху.
Одним из наиболее ярких примеров статического разряда является молния . Когда облачная система набирает достаточно заряда по сравнению с другой группой облаков или земной поверхностью, заряды будут пытаться выровняться. Когда облако разряжается, огромное количество положительных (а иногда и отрицательных) зарядов распространяется по воздуху от земли к облаку, вызывая видимый эффект, с которым мы все знакомы.
Статическое электричество также знакомо нам, когда мы трём о голову шарики, чтобы волосы встали дыбом, или когда мы шаркаем по полу пушистыми тапочками и бьём током домашнего кота (случайно, конечно).
В каждом случае трение от трения различных типов материалов передает электроны. Объект, теряющий электроны, становится положительно заряженным, а объект, приобретающий электроны, становится отрицательно заряженным. Два объекта притягиваются друг к другу, пока не найдут способ уравнять.
Работая с электроникой, нам обычно не приходится иметь дело со статическим электричеством. Когда мы это делаем, мы обычно пытаемся защитить наши чувствительные электронные компоненты от статического разряда. Профилактические меры против статического электричества включают ношение браслетов ESD (электростатического разряда) или добавление специальных компонентов в цепи для защиты от очень высоких скачков заряда.
Текущее электричество
Текущее электричество — это форма электричества, которая делает возможными все наши электронные штуковины. Эта форма электричества существует, когда заряды способны постоянно течет . В отличие от статического электричества, где заряды собираются и остаются в покое, текущее электричество динамично, заряды всегда в движении.
Мы сосредоточимся на этой форме электричества в оставшейся части урока.
Цепи
Для того, чтобы течь электричеству, требуется цепь: замкнутая, бесконечная петля из проводящего материала. Цепь может быть такой же простой, как токопроводящий провод, соединенный встык, но полезные цепи обычно содержат смесь проводов и других компонентов, которые контролируют поток электричества. Единственное правило, когда дело доходит до создания цепей, это не может иметь изолирующих промежутков .
Если у вас есть провод, полный атомов меди, и вы хотите индуцировать поток электронов через него, все свободных электронов должны куда-то течь в одном и том же общем направлении. Медь — отличный проводник, идеально подходящий для протекания зарядов. Если цепь медного провода разорвана, заряды не могут течь по воздуху, что также предотвратит перемещение любых зарядов к середине.
С другой стороны, если бы провод был соединен встык, все электроны имели бы соседний атом и все могли бы течь в одном и том же общем направлении.
Теперь мы понимаем, как могут течь электронов, но как нам заставить их течь в первую очередь? Затем, когда электроны текут, как они производят энергию, необходимую для освещения лампочек или вращающихся двигателей? Для этого нам нужно понять электрические поля.
Электрические поля
У нас есть представление о том, как электроны проходят через материю, создавая электричество. Вот и все, что касается электричества. Ну, почти все. Теперь нам нужен источник, чтобы индуцировать поток электронов. Чаще всего этот источник электронного потока исходит от электрического поля.
Что такое поле?
Поле — это инструмент, который мы используем для моделирования физических взаимодействий, не связанных с наблюдаемым контактом . Поля нельзя увидеть, так как они не имеют физической формы, но эффект, который они производят, вполне реален.
Мы все подсознательно знакомы с одним конкретным полем: гравитационное поле Земли, эффект притяжения массивного тела к другим телам.
Гравитационное поле Земли можно смоделировать набором векторов, указывающих на центр планеты; независимо от того, где вы находитесь на поверхности, вы почувствуете силу, толкающую вас к ней.
Сила или интенсивность полей неодинакова во всех точках поля. Чем дальше вы находитесь от источника поля, тем меньше его влияние. Величина гравитационного поля Земли уменьшается по мере удаления от центра планеты.
Продолжая изучать электрические поля, вспомните, в частности, как работает гравитационное поле Земли. Оба поля имеют много общего. Гравитационные поля воздействуют на объекты с массой, а электрические поля воздействуют на объекты с зарядом.
Электрические поля
Электрические поля (е-поля) являются важным инструментом для понимания того, как возникает и продолжает течь электричество. Электрические поля описывают тянущую или толкающую силу в пространстве между зарядами . По сравнению с гравитационным полем Земли электрические поля имеют одно существенное отличие: в то время как поле Земли обычно притягивает только другие объекты массы (поскольку все значит значительно менее массивные), электрические поля отталкивают заряды так же часто, как и притягивают их.
Направление электрических полей всегда определяется как направление, в котором положительный пробный заряд сместится , если его уронить в поле. Пробный заряд должен быть бесконечно мал, чтобы его заряд не влиял на поле.
Мы можем начать с построения электрических полей для одиночных положительных и отрицательных зарядов. Если вы поместите положительный тестовый заряд рядом с отрицательным зарядом, тестовый заряд притянется к отрицательному заряду . Итак, для одного отрицательного заряда мы нарисуем наши стрелки электрического поля направлен внутрь во всех направлениях. Тот же пробный заряд, брошенный рядом с другим положительным зарядом , приведет к отталкиванию наружу, что означает, что мы рисуем стрелок, выходящих из положительного заряда.
Электрические поля одиночных зарядов. Отрицательный заряд имеет внутреннее электрическое поле, потому что он притягивает положительные заряды.
Положительный заряд имеет внешнее электрическое поле, отталкивающее заряды.
Группы электрических зарядов можно комбинировать для создания более полных электрических полей.
Однородное электрическое поле вверху направлено от положительных зарядов к отрицательным. Представьте крошечный положительный тестовый заряд, упавший в электронное поле; он должен следовать направлению стрелок. Как мы видели, электричество обычно связано с потоком электронов — отрицательных зарядов — которые текут против электрических полей.
Электрические поля обеспечивают нас толкающей силой, необходимой для индукции электрического тока. Электрическое поле в цепи похоже на электронный насос: большой источник отрицательных зарядов, который может двигать электроны, которые будут течь по цепи к положительному заряду.
Электрический потенциал (энергия)
Когда мы используем электричество для питания наших цепей, устройств и устройств, мы действительно преобразуем энергию.
Электронные схемы должны иметь возможность накапливать энергию и передавать ее в другие формы, такие как тепло, свет или движение. Запасенная энергия цепи называется электрической потенциальной энергией.
Энергия? Потенциальная энергия?
Чтобы понять потенциальную энергию, нам нужно понять энергию в целом. Энергия определяется как способность объекта делать работать с другим объектом, что означает перемещение этого объекта на некоторое расстояние. Энергия приходит в многих формах , некоторые мы можем видеть (например, механические), а другие мы не можем (например, химические или электрические). Независимо от того, в какой форме она находится, энергия существует в одном из двух состояний : кинетическом или потенциальном.
Объект имеет кинетической энергии , когда он находится в движении. Количество кинетической энергии объекта зависит от его массы и скорости. Потенциальная энергия , с другой стороны, равна накопленная энергия , когда объект находится в состоянии покоя. Он описывает, какую работу может выполнить объект, если его привести в движение. Это энергия, которую мы обычно можем контролировать. Когда объект приводится в движение, его потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию.
Вернемся к примеру с гравитацией. Шар для боулинга, неподвижно сидящий на вершине башни Халифа, имеет много потенциальной (запасенной) энергии. После падения мяч, притягиваемый гравитационным полем, с ускорением устремляется к земле. По мере ускорения мяча потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию (энергию движения). В конце концов вся энергия мяча преобразуется из потенциальной в кинетическую, а затем передается тому, во что он попадает. Когда мяч находится на земле, его потенциальная энергия очень мала.
Электрическая потенциальная энергия
Подобно тому, как масса в гравитационном поле обладает гравитационной потенциальной энергией, заряды в электрическом поле обладают электрической потенциальной энергией . Электрическая потенциальная энергия заряда описывает, сколько накопленной энергии он имеет, когда он приводится в движение электростатической силой, эта энергия может стать кинетической, и заряд может совершать работу.
Подобно шару для боулинга, находящемуся на вершине башни, положительный заряд в непосредственной близости от другого положительного заряда обладает высокой потенциальной энергией; оставленный свободным двигаться, заряд будет отталкиваться от такого же заряда. Положительный тестовый заряд, помещенный рядом с отрицательным зарядом, будет иметь низкую потенциальную энергию, аналогичную шару для боулинга на земле.
Чтобы наделить что-либо потенциальной энергией, мы должны выполнить работу , переместив это на расстояние. В случае с шаром для боулинга работа заключается в том, чтобы поднять его на 163 этажа против поля гравитации. Точно так же необходимо совершить работу, чтобы оттолкнуть положительный заряд от стрелок электрического поля (либо к другому положительному заряду, либо от отрицательного заряда).
Чем дальше вверх по полю уходит заряд, тем больше работы вам предстоит сделать. Точно так же, если вы попытаетесь вытащить отрицательный заряд вдали от положительного заряда — против электрического поля — вы должны совершить работу.
Для любого заряда, находящегося в электрическом поле, его электрическая потенциальная энергия зависит от типа (положительный или отрицательный), количества заряда и его положения в поле. Электрическая потенциальная энергия измеряется в джоулях ( Дж ).
Электрический потенциал
Электрический потенциал основан на электрическом потенциале энергии , чтобы помочь определить, сколько энергии хранится в электрических полях . Это еще одна концепция, которая помогает нам моделировать поведение электрических полей. Электрический потенциал равен , а не , то же самое, что электрическая потенциальная энергия!
В любой точке электрического поля электрический потенциал равен количеству потенциальной электрической энергии, деленному на количество заряда в этой точке.
Это убирает количество заряда из уравнения и оставляет нам представление о том, сколько потенциальной энергии могут обеспечить определенные области электрического поля. Электрический потенциал измеряется в джоулях на кулон ( J/C ), который мы определяем как вольт (В).
В любом электрическом поле есть две точки электрического потенциала, представляющие для нас значительный интерес. Есть точка с высоким потенциалом, где положительный заряд будет иметь максимально возможную потенциальную энергию, и есть точка с низким потенциалом, где заряд будет иметь наименьшую возможную потенциальную энергию.
Одним из наиболее распространенных терминов, которые мы обсуждаем при оценке электричества, является напряжение . Напряжение – это разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле. Напряжение дает нам представление о том, какой толкающей силой обладает электрическое поле.
Имея за плечами потенциал и потенциальную энергию, у нас есть все ингредиенты, необходимые для производства электроэнергии.
Давай сделаем это!
Электричество в действии!
Изучив физику элементарных частиц, теорию поля и потенциальную энергию, мы теперь знаем достаточно, чтобы заставить течь электричество. Сделаем цепь!
Сначала мы рассмотрим ингредиенты, необходимые для производства электричества:
- Определение электричества — это поток заряда . Обычно наши заряды переносятся свободно текущими электронами.
- Отрицательно заряженные электронов слабо связаны с атомами проводящих материалов. С небольшим толчком мы можем освободить электроны от атомов и заставить их течь в основном в одном направлении.
- Замкнутая цепь из проводящего материала обеспечивает путь для непрерывного потока электронов.
- Заряды приводятся в движение электрическим полем . Нам нужен источник электрического потенциала (напряжения), который толкает электроны из точки с низкой потенциальной энергией в точку с более высокой потенциальной энергией.
Короткое замыкание
Батареи являются распространенными источниками энергии, которые преобразуют химическую энергию в электрическую. У них есть две клеммы, которые подключаются к остальной части цепи. На одном выводе избыток отрицательных зарядов, а на другом сливаются все положительные заряды. Это разность электрических потенциалов, которая только и ждет, чтобы подействовать!
Если мы подключим наш провод, полный проводящих атомов меди, к батарее, это электрическое поле будет влиять на отрицательно заряженные свободные электроны в атомах меди. Одновременно отталкиваемые отрицательной клеммой и притягиваемые положительной клеммой, электроны в меди будут перемещаться от атома к атому, создавая поток заряда, который мы знаем как электричество.
После секунды прохождения тока электроны фактически сдвинулись очень мало — доли сантиметра. Однако энергия, производимая текущим потоком, составляет огромных , тем более что в этой цепи нет ничего, что замедляло бы течение или потребляло энергию.
Подключать чистый проводник напрямую к источнику энергии — плохая идея . Энергия очень быстро перемещается по системе и превращается в тепло в проводе, которое может быстро превратиться в плавление провода или огонь.
Зажигание лампочки
Вместо того, чтобы тратить всю эту энергию впустую, не говоря уже о разрушении батареи и проводов, давайте создадим схему, которая сделает что-нибудь полезное! Обычно электрическая цепь преобразует электрическую энергию в какую-либо другую форму — свет, тепло, движение и т. д. Если мы подключим лампочку к батарее проводами между ними, мы получим простую функциональную цепь.
Схема: Батарея (слева) подключается к лампочке (справа), цепь замыкается, когда выключатель (вверху) замыкается. Когда цепь замкнута, электроны могут течь от отрицательной клеммы батареи через лампочку к положительной клемме.
В то время как электроны движутся со скоростью улитки, электрическое поле почти мгновенно воздействует на всю цепь (мы говорим о скорости света).
Электроны по всей цепи, будь то с самым низким потенциалом, с самым высоким потенциалом или прямо рядом с лампочкой, находятся под влиянием электрического поля. Когда переключатель замыкается и электроны подвергаются воздействию электрического поля, все электроны в цепи начинают течь, казалось бы, в одно и то же время. Ближайшие к лампочке заряды сделают один шаг по цепи и начнут преобразовывать электрическую энергию в световую (или тепловую).
Ресурсы и дальнейшие действия
В этом уроке мы раскрыли лишь малую часть верхушки пресловутого айсберга. Там еще тонна концепций осталась нераскрытой. Отсюда мы рекомендуем вам сразу перейти к нашему руководству по напряжению, току, сопротивлению и закону Ома. Теперь, когда вы знаете все об электрических полях (напряжении) и движущихся электронах (токе), вы уже на пути к пониманию закона, управляющего их взаимодействием.
Хотите узнать больше об основных темах?
Полный список основных тем, связанных с электротехникой, см.
на нашей странице Engineering Essentials .
Отведи меня туда!
Для получения дополнительной информации и иллюстраций, объясняющих электричество, посетите этот сайт.
Вот еще несколько учебных пособий для начинающих, которые мы рекомендуем прочитать:
- Что такое схема?
- Электроэнергия
- Последовательные и параллельные цепи
Или, может быть, вы хотели бы узнать что-то практическое? В этом случае ознакомьтесь с некоторыми из этих руководств по навыкам базового уровня:
- Как пользоваться мультиметром
- Работа с проволокой
- Шитье проводящей нитью
ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА
- Главная
- ☠
Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.
Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.
Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?
Внешняя патч-антенна RockBLOCK
В наличии
WRL-14580
69,95 $
Избранное
Любимый
6
Список желаний
Буквенно-цифровой дисплей SparkFun Qwiic — красный
В наличии
COM-16916
Избранное
Любимый
2
Список желаний
смоль ESP32
Осталось всего 2!
SPX-18619
17,95 $
1
Избранное
Любимый
4
Список желаний
Высокочувствительный модуль звукового датчика
Нет в наличии
SEN-21238
Избранное
Любимый
0
Список желаний
Знакомство с NVIDIA Jetson Nano 2 ГБ
7 октября 2020 г.