Суть электричества простыми словами. почему и как работает электричество, его природа и принцип действия

История электричества

Давным-давно, в VII веке до нашей эры, греческий философ Фалес Милетский (624 – 545 гг. до н.э.) заметил, что потёртый о шерсть янтарь приобретает свойство притягивать лёгкие предметы. Что интересно, греки называли янтарь электроном, по имени звезды Электра из созвездия Тельца. С тех давних пор прошло больше двух тысячелетий и только в 1600 году английский физик Уильям Гилберт (1544 – 1603 гг.) издаёт книгу, в которой описывает свои опыты над магнитами и электрическими свойствами тел. Он заметил, что не только янтарь, но и ряд других тел после натирания обладают способностью притягивать мелкие лёгкие предметы. Отдавая честь янтарю, Уильям Гилберт назвал это явление электрическим (от латинского слова electricus – янтарный) и впервые ввёл термин «электричество». Под ним подразумевается совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов.

В последующие годы многие учёные занимались исследованием электричества. Они сделали большое количество открытий в этой области, благодаря которым человечество использует данный вид энергии. В память о заслугах отдельных учёных их фамилиями были названы некоторые единицы измерений. Среди них: итальянский физик, химик и физиолог Александро Вольта (1745 – 1827 гг.), французский физик, математик и естествоиспытатель Андре-Мари Ампер (1775 – 1836 гг.), немецкий физик Георг Симон Ом (1789 – 1854 гг.) и ряд других учёных. Благодаря таким людям, сейчас мы используем электричество для своего блага и удобства.

Не всем известно, что к изучению электричества имел отношение Бенджамин Франклин (1706 – 1790 гг.). Большинство людей знают его как великую историческую личность, внёсшую огромный вклад в становление США (Соединённых Штатов Америки) как независимого государства. В память о политических заслугах Бенджамина Франклина установлены памятники, а на стодолларовых купюрах с 1914 года печатают его портрет. Как говорят: «Талантливый человек талантлив во всём». Оказывается, он был не только политиком, но ещё исследователем и изобретателем. Бенджамин Франклин ввёл понятие положительного и отрицательного заряда. Вот те самые «+» (плюсы) и «-» (минусы), которые в наше время можно увидеть на любой простой батарейке. Ещё он проводил исследования грозовых явлений и обнаружил присутствие электричества в воздухе, так называемое атмосферное электричество. В 1752 году Бенджамин Франклин изобрёл молниеотвод (в быту его чаще называют громоотвод, хотя к грому это устройство отношения не имеет). Металлический штырь, соединённый толстой проволокой с заземлителем, снимал во время грозы напряжённость электрического поля. В редких случаях удара молнии пропускал её через себя в землю. Это изобретение имело большое практическое значение. Теперь высокие здания, колокольни и т.п., оборудованные такими устройствами, могли больше не бояться молнии.

Электричество

Электричество — совершенно необходимая вещь в современном мегаполисе. Все знают, что творилось в Нью-Йорке при локауте, когда вдруг в огромном городе не стало электричества — выключилось все освещение, остановились лифты, кондиционеры, отключилась связь и оказались обесточены многие системы безопасности и электрические замки. Что же такое для нас — электричество?

На севере Выборгского района Петербурга я живу уже больше 40 лет. Отключения электричества за это время иногда случались. То наш «сосед по фазе» врубит зимой сверхмощный электрообогреватель и наша фаза вылетит, то еще хуже — окажется обесточенным весь дом или даже весь квартал (за 40 лет такое случалось один или два раза). Каждый раз отключение электричества — это маленькая катастрофа. Летят все планы досуга или работы, приходится начинать жизнь при свечах.

Откуда электричество приходит в город и какова история электроснабжения?

Электричество в больших городах появилось в XIX веке — в виде электрического освещения. Электрические лампы светили намного ярче, чем царившие тогда керосиновые или масляные, они не коптили, от них было намного больше света, но не было запаха, иногда — весьма сильного и неприятного. Но если керосинка горела благодаря тому керосину, что был в резервуаре, то к электрической лампочке энергию надо было подвести извне. Сначала сгенерировать, потом доставить, провести питание к каждой точке.

Ф. А. ПироцкийФото: ru.wikipedia.org

Опишем современное электроснабжение крупных городов подробнее.

Вырабатываемое на ТЭС, ГЭС, АЭС электричество по линиям электропередачи (ЛЭП) передается к потребителям, на заводы и в города.

Промежуточная опора ЛЭП 330 КВФото: ru.wikipedia.org

ЛЭП — высоковольтные линии. Напряжение на них устанавливается в сотни киловольт. На одной из самых мощных ЛЭП, линии Итат-Экибастуз-Кокшетау-Челябинск, поддерживается напряжение 1150 КВ.

Зачем на ЛЭП напряжение столь высокое? Дело в том, что потери мощности обратно пропорциональны квадрату передаваемого напряжения.

Поэтому, несмотря на то, что повышение, а потом снижение напряжения при повышении эксплуатационного напряжения на ЛЭП требует более дорогостоящих трансформаторных станций — напряжение на эксплуатируемых линиях ЛЭП в XX веке повысилось от десятков киловольт до сотен. Массовой стала ЛЭП-500, линия с напряжением в 500 КВ.

Электроэнергия, полученная по ЛЭП, проходит через каскад понижающих и распределительных подстанций (РП), при этом постепенно понижается напряжение. Входящие сотни киловольт превращаются сначала в десятки, затем в единицы киловольт и сотни вольт, а к потребителю приходят уже привычные нам 220 В.

Сети с напряжением 35÷220 кВ называются электроснабжающими сетями, а сети с напряжением 0.4 КВ÷10КВ — распределительными сетями. Электросети обеспечивают многократное дублирование. При повреждении какой-то РП и обесточивании какого-то куста потребителей, обесточенная территория аварийно запитывается от соседних РП.

Потребители электричества делятся по нескольким разным категориям, в том числе — по степени надежности.

Потребители 1-й категории — это телекоммуникационные электроустановки, радио, телеграф, телефон. Кроме этого — насосные станции водопровода, лифты в зданиях выше 16 этажей, аварийное освещение, в больницах — операционные и реанимационные палаты, и электроустановки объединений потребителей электричества с нагрузкой больше 10 МВт.

Потребители 2- й категории — это школы, детские и учебные учреждения, здания высотой больше 5 этажей и группы городских потребителей с нагрузкой больше 300 КВт.

Потребители 3-й категории — это небольшие поселки и районы малоэтажной застройки.

Как хорошо, когда светло, работают телевизор, холодильник, компьютер, стиралка…

С каждым годом человечеству требуется все больше и больше электричества. Если в 1890 году в мире было выработано 9 млрд. кВт*ч, то в 2016 — 24816 млрд. кВт*ч. В последние десятилетия потребление электроэнергии растет весьма быстро. В 2000 году было выработано 14500 млрд. кВт*ч, а в 2016 году — 24816; производство за 20 лет выросло в 1.71 раза.

А значит системы передачи и распределения электроэнергии будут продолжать совершенствоваться и расширяться. Все-таки хорошо, когда светло, работают телевизор, холодильник, компьютер, стиралка… И как же плохо, когда всего этого нет!

Главная страница /
Мир вокруг нас /
Статьи /
Что необходимо для жизни крупного города?

Статья опубликована в выпуске 20.03.2021

Основные токовые величины

При возникновении в цепи электрического тока, происходит постоянный перенос заряда через поперечное сечение проводника. Величина заряда, перенесенная за определенную единицу времени, называется силой тока, измеряемой в амперах.

Для того чтобы создать и поддерживать движение заряженных частиц, необходимо воздействие силы, приложенной к ним в определенном направлении. В случае прекращения такого действия, прекращается и течение электрического тока. Такая сила получила название электрического поля, еще она известна как напряженность электрического поля. Именно она вызывает разность потенциалов или напряжение на концах проводника и дает толчок движению заряженных частиц. Для измерения этой величины применяется специальная единица – вольт. Существует определенная зависимость между основными величинами, отраженная в законе Ома, который будет рассмотрен подробно.

Важнейшей характеристикой проводника, непосредственно связанной с электрическим током, является сопротивление, измеряемое в омах. Данная величина является своеобразным противодействием проводника течению в нем электрического тока. В результате воздействия сопротивления происходит нагрев проводника. С увеличением длины проводника и уменьшением его сечения, значение сопротивления увеличивается. Величина в 1 Ом возникает, когда разность потенциалов в проводнике составляет 1 В, а сила тока – 1 А.

Строение атома, положительный и отрицательный ионы

Итак, любое вещество, любого происхождения (вода, дерево, камень, стекло) состоит из более мелких элементов. Они называются молекулами. Взять хотя бы каплю воды. Она состоит из множества отдельных молекул, имеющих знакомую нам химическую формулу H2O. Далее молекулу вещества можно разделить еще на более мелкие частицы – атомы.

Строение вещества

В настоящее время известны всего лишь более ста различных атомов, однако это еще не предел. Атомы могут образовать миллионы разных молекул и соответственно столько же разных веществ.


Молекула воды

Планетарная модель атома

Как всем известно еще со школьной программы, в центре атома находится наиболее тяжелый его элемент — ядро. Вокруг него на определенном расстоянии по разным орбитам перемещаются электроны. Ядро не является цельным элементом, его составляют протоны и нейтроны.


Планетарная модель атома

Электроны обладает отрицательным зарядом, а протоны – положительным. Нейтрон, как видно из самого названия, не проявляет свойств ни тех, ни других зарядов. Иначе говоря, он нейтрален.

Чтобы уяснить суть электричества, поближе познакомимся со строением атомов. Для упрощения некоторых процессов применяется планетарная модель атома. Как в нашей солнечной системе вокруг солнца (ядра) движутся планеты по своей траектории, так и в атоме вокруг ядра движутся электроны. Электрон представляет собой не плотную частичку материи.Это размазанный в пространстве сгусток энергии, наподобие расплюснутой шаровой молнии.

Масса протона приблизительно в 2000 раз превышает массу электрона. Но суммарный положительный электрический заряд всех протонов равен суммарному отрицательному заряду всех электронов. Поэтому при нормальных условиях атом электрически нейтрален и за его пределами не ощущаются никакие силы. Положительные и отрицательные заряды как бы нейтрализуют друг друга.

Рассмотрим периодическую систему химических элементов, известную всем, как таблица Менделеева. В этих элементах все атомы расположены в строгой последовательности: от наиболее легкого до наиболее тяжелого – по величине относительной атомной массе, основную долю которой составляют протоны

Нейтроны также имею массу, но поскольку они не обладают выраженным электрическим зарядом, не будет заострять на них внимание


Периодическая система Менделеева

Солнечные панели

Сейчас все большую популярность завоевывают солнечные источники электроэнергии. Суть такого источника проста – имеются полупроводниковые фотоэлементы, в которых при попадании на них солнечных лучей генерируется электрический заряд.

Количество вырабатываемой энергии напрямую зависит от площади фотоэлементов, поэтому они собираются в панели.

Панель площадью в 1 м. кв. способна выдать 100 Ватт мощности с напряжением 20-25 В.

Чтобы полностью обеспечить дом электричеством площадь панелей должна быть значительной.

Из положительных качеств такого источника электроэнергии является его долговечность, полная экологичность, бесшумность.

Панели требуют минимум обслуживания, а электроэнергия, выработанная ими, является полностью бесплатной и доступной.

Но есть и недостатки. Для обеспечения электроэнергии в необходимом количестве, площадь панелей может достигать значительных размеров, которые еще нужно и правильно расположить.

Энергия эта непостоянна. В солнечные дни панели будут работать с максимальным выходом, но бывают же и пасмурные дни. Поэтому общее количество выработанной электрической энергии зависит от того, сколько солнечных дней в году в регионе, где располагается дом.

Еще один недостаток, причем весомый – это стоимость панелей. Цена за каждый Ватт выработанной энергии составляет сейчас примерно 1,5 $, то есть только за панели, вырабатывающие 1 кВт электроэнергии, придется выложить 1,5 тыс. долларов. А еще потребуется покупать и остальное оборудование, необходимое для работы системы.

История открытия

Полярность диода

История изучения данного явления уходит своими корнями в очень далекое прошлое. Так, первым, кто упомянул о нем, был античный философ Фалес Милетский. Именно он еще в VII веке до нашей эры заметил, что потертый о кусочек шерсти янтарь начинает притягивать к себе имеющие небольшой вес предметы. Однако на этом развитие исследований в данной сфере почти на 2,5 тысячелетия остановилось. Только в XVII веке сначала был введен термин, обозначающий обнаруженное греческим философом явление (1600 год, У. Гилберт), затем начались активные изыскания по изучению природы электричества, возможностей его применения на благо человечества.

Наиболее значимыми открытиями и изобретениями при этом были следующие:

  • 1633 год – немецкий инженер Отто фон Герике изобретает первую в мире электростатическую машину, позволившую наблюдать различные виды взаимодействия электрических зарядов (отталкивание и притягивание);
  • 1729 год – английский ученый Стивен Грей в результате своих изысканий и экспериментов по передаче электричества на значительные расстояния обнаружил, что различные материалы неодинаково его пропускают через свою толщу (имеют различную электропроводность);
  • 1745 год – ученый из Нидерландов Питер ван Мушенбрук изобретает первый в мире накопитель электрического заряда (простейший конденсатор) – Лейденскую банку.
  • 1800 год – итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел первый источник тока – гальванический элемент, состоящий из круглых цинковых и серебряных пластин, сложенных поочередно столбиком и разделенных между собой смоченной в солевом растворе бумагой.
  • 1820 – датским ученым-физиком Хансом Эрстедом открыто электромагнитное взаимодействие между различными по знаку электрическими зарядами и заряженными частицами.
  • 1831 – Майкл Фарадей открывает такое явление, как электромагнитная индукция
  • 1880 – француз Пьер Кюри открывает эффект генерирования кристаллом электрического заряда при его сжатии или другом изменении (пьезоэлектричество).

В конце XIX – XX веке одним из самых известных и загадочных ученых, занимавшихся изучением того, что такое электричество, и создавшим множество изобретений был Никола Тесла.

Причины возникновения и проявления

Статическое напряжение возникает из-за нарушения общего баланса электрически заряженных частичек, имеющихся в любой материи. Формируется оно не только по заранее спланированному сценарию: по желанию учителя или экспериментатора. На практике оно чаще всего проявляется без участия и вопреки его воле.

Простой пример: надевание одежды, изготовленной на основе синтетических тканей. Из-за трения о тело и последующего за этим возникновения статических зарядов материя начинает плотно облегать его и не позволяет придать наряду желанный вид. Единственно возможный выход в этой ситуации – обрызгать его специальным средством, называемым «антистатиком». Только таким способом удается снять излишки заряда с синтетического материала.

Другими характерными причинами образования статического заряда являются:

  • ощутимые перепады температур, происходящие к тому же очень резко;
  • высокий уровень радиации, приводящий к повышению энергии электронов и появлению в материале разнородно заряженных частиц;
  • наличие сильных индукционных и магнитных полей.

Первые две причины, из-за которых человека начинает «бить током», не нуждаются в особых пояснениях. В отличие от них, магнитная индукция представляется серьезной проблемой, особенно в последнее время.

Удар молнии в башню

С постоянным ростом количества бытовых приборов, во многих из которых имеются индуктивные элементы, влияние электромагнитных полей на человека резко возрастает. Одно из таких проявлений – электризация атмосферы из-за разделения частиц воздуха на заряженные электроны и ионы, что является по сути тем же проявлением статического электричества.

Постепенное накапливание факторов риска, связанных с самыми различными источниками посторонних полей, привели к отдельному направлению в науке, занимающимся исследованием степени их опасности. С другой стороны, ученые с давних пор задумывались о полезных свойствах электризации и возможности поставить этот эффект на службу человеку.

Статическое электричество

December 2012

S M T W T F S
1
2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14 15
16 17 18 19 20 21 22
23 24 25 26 27 28 29
30 31
  • «Джаз над морем» при поддержке «Евромонт
  • 9 интересных фактов об электричестве.
  • Активная и реактивная мощность
  • Алессандро Вольта. Вольтов столб. Электр
  • Альбер Энштейн
  • Башни Тесла
  • Башни Тесла. Мировая ситема передачи эне
  • Гениальный разум.
  • Евромонтажгруп
  • Изобретение Дедала.
  • Изобретения «по заказу». (т.Эдисон)
  • Истоия из жизни
  • История электричества
  • Как получить электричество из ничего?!
  • Катушка Тесла
  • Лампочка долгожительница
  • Майкл Фарадей
  • Мировая система передачи энергии
  • НКУ.
  • Никола Тесла. Изобретения за гранью разу
  • Первые теории электричества
  • Про лампочку Ильича
  • С Новым Годом.
  • Свет и энергия. (Т.Эдисон)
  • Семинар «Евромонтажгруп»
  • Смешные истории
  • Спирт из электричества.
  • Статическое электричество в природе.
  • Томас Эдисон
  • Трансформатор Тесла
  • Тунгусский метеорит
  • Уникальная система мониторинга
  • Храм электричества.
  • Электрический стул. История изобретения.
  • Электричество Шумерской цивилизации.
  • Электричество в природе. Молния.
  • Электричество древнего Египта.
  • Электромагнитный шунт
  • Электрощитовое оборудование
  • великие физики.
  • знакомство с системами шинопровода «LS C
  • интересные факты

Переменный ток

В начале электрической эры все потребители пользовались постоянным электрическим током. Большой вклад в развитие и распространение сетей с постоянным током внёс американский изобретатель и предприниматель Томас Алва Эдисон (1847 – 1931 гг.). Человек удивительной работоспособности. Только в США он получил 1093 патента. Если брать другие страны мира, то это ещё около трёх тысяч запатентованных изобретения. Томас Эдисон стоял у истоков широкомасштабного применения электричества. Его вариант электрической лампы накаливания с прочной нитью в колбе с вакуумом имел большой коммерческий успех. Не без влияния Томаса Эдисона на промышленных предприятиях стали заменять паровые машины на электродвигатели постоянного тока (на переменном токе электродвигателей ещё не было). Одним словом, в конце XIX века электричество начало семимильными шагами входить в жизнь людей. 

К сожалению, у электрического тока в то время был обнаружен один существенный недостаток. Его очень сложно передавать на большие расстояния. Как мы знаем любой проводник оказывает сопротивление прохождению электрического тока. На маленьких расстояниях это практически незаметно, а на больших сопротивление прибавляется и потери становятся сильно ощутимы. Единственным приемлемым выходом из этой ситуации является передача электроэнергии на повышенном напряжении (десятки и сотни тысяч вольт). Чтобы на передающей стороне повысить, а на принимающей стороне опять понизить напряжение нужны специальные трансформаторы. С постоянным током трансформаторы не работают. Соответствующее решение предложил Никола Тесла (1856 – 1943 гг.). Именно он разработал системы передачи электроэнергии посредством многофазного переменного тока, в которую входили генераторы, повышающие и понижающие трансформаторы, а также в качестве потребителей были представлены электрические машины (в том числе, изобретённый им асинхронный электродвигатель переменного тока). 

Опора высоковольтной линии электропередачи

Переменный ток – электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению. Например, в обычной домашней розетке плюс с минусом на правой и левой клеммах меняются местами 50 раз в течение одной секунды. Человеческий глаз не может различать такую частоту. Поэтому, при включении дома обычной лампы накаливания мы видим ровное (без морганий) освещение. Количество изменений за 1 сек. называется частотой переменного тока и обозначается буквой F (эф). За единицу измерения частоты принят один «герц» (Гц). Такое название единица получила в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца (1857 – 1894 гг.). В России, как и во многих странах мира, стандарт частоты переменного тока равен 50 Гц. 

Переменный электрический ток вырабатывается на электростанциях (гидроэлектростанции, теплоэлектростанции и атомные электростанции). Принцип везде одинаков – механическое движение турбины передаётся ротору генератора, вращение которого приводит к возникновению напряжения в обмотках статора. На гидроэлектростанциях (ГЭС) турбину вращает поток воды. На теплоэлектростанциях (ТЭЦ) энергия сжигаемого топлива (бензин, керосин, дизельное топливо, газ и т.п.) нагревает в котлах воду до состояния пара, который вращает паровую турбину. На атомных электростанциях (АЭС) энергия ядерной реакции нагревает теплоноситель первого контура. Затем этим теплом до состояния пара нагревается вода второго контура, которая опять же вращает паровую турбину. 

Как распределяются заряды при соприкосновении

Возьмем два шара, имеющие одинаковые размеры. Один из шаров наэлектризуем, а второй оставим незаряженным. Если шары соприкоснутся, то заряд распределится поровну между двумя шарами (рис. 1).

Рис. 1. Если размеры совпадают, то при контакте тел между телами заряд распределяется на две равные части

Заменим теперь шар незаряженный шаром, имеющим большие размеры. При соприкосновении на большой шар перейдет большая часть заряда (рис. 2). То есть, заряд теперь распределяется не поровну.

Рис. 2. Когда размеры различаются, при контакте тел заряд между телами распределяется на неравные части

Это свойство используется при заземлении. Земной шар имеет значительно большие размеры, по сравнению с телами, которые на нем находятся.

Передавая заряд земле, тело становится электрически нейтральным, потому, что на землю стекает почти весь заряд тела (рис. 3).

Рис. 3. Заземляя тело, мы передаем весь его заряд на земной шар

В левой части рисунка 3 изображено тело до заземления. Оно имеет заряд «+q». А в правой — после заземления, тело заряда не имеет.

Примечание: Заземление – это передача избыточного заряда от тела к земле. Тела заземляют, соединяя с землей отрезком толстой проволоки, или кабеля. Заземление металлических корпусов электроприборов применяют для защиты людей от удара электрическим током.

Несколько случаев для контакта двух одинаковых тел удобно объяснить на примере решения задач.

Системы автоматической защиты

Электросеть несет 2 вида угроз:

  1. Мощность бытовой проводки достаточна для возгорания материалов, используемых при отделке помещений. Замыкание в сети приводит к неконтролируемому повышению силы тока и воспламенению. Свести вероятность возникновения такой ситуации к нулю невозможно, однако ее снижают путем введения в цепь автоматического выключателя. При повышении параметров тока пластина устройства деформируется, высвобождается пружина, которая размыкает контакты. Автомат не реагирует на импульсы пускового тока.
  2. Нулевой провод связан с землей, фазовый находится под напряжением по отношению к ней. Между таким проводником и заземленными предметами возникает ток. Поражение человека электричеством, образующимся между 2 сетевыми кабелями, практически не опасно. Однако при некоторых условиях прохождения тока электротравма становится смертельной. Автоматические системы защиты следят, чтобы ток входил в один провод и уходил по другому. При появлении напряжения между фазой и заземленным предметом, например, телом человека, УЗО обесточивает сеть.

Заключение

Мы познали суть электричества, выяснили как это работает, по крайней мере, в общих чертах. Для людей с творческим мышлением, далеким от физики, можно мысленно представить, как очень маленькие частички очень быстро перетекают с одного места на другое по своей электрической цепи. Основой любого вещества является ядро. Если есть разница потенциалов (в одном месте возникло скопление одного вида зарядов, а в другом, противоположного вида), то при появлении пути (соединение цепи) начинается процесс выравнивания этих самых потенциалов. Таким образом вырабатывается электрический ток.