admin / 08.06.2018

Все о токе и электричестве

Что такое электричество

Наличие электричества как явления объясняется одним из главных свойств физической материи – способностью обладать электрическим зарядом. Они бывают положительными и отрицательными, при этом объекты, обладающие разнополюсными знаками, притягиваются друг к другу, а «равнозначные», наоборот, отталкиваются. Движущиеся частицы также являются источником возникновения магнитного поля, что лишний раз доказывает связь между электричеством и магнетизмом.

На атомарном уровне существование электричества можно объяснить следующим образом. Молекулы, из которых состоят все тела, содержат атомы, составленные из ядер и электронов, циркулирующих вокруг них. Эти электроны могут при определенных условиях отрываться от «материнских» ядер и переходить на другие орбиты. Вследствие этого некоторые атомы становятся «недоукомплектованными» электронами, а у некоторых их в избытке.

Поскольку природа электронов такова, что они текут туда, где их не хватает, постоянное перемещение электронов от одного вещества к другому и составляет электрический ток (от слова «течь»). Известно, что электричество имеет направление от полюса «минус» к полюсу «плюс». Поэтому вещество с нехваткой электронов считается заряженным положительно, а с переизбытком – отрицательно, и именуется оно «ионами». Если речь идет о контактах электрических проводов, то положительно заряженный называется «нулевой», а отрицательно – «фаза».

В разных веществах расстояние между атомами различно. Если они очень маленькие, электронные оболочки буквально касаются друг друга, поэтому электроны легко и быстро переходят от одного ядра к другому и обратно, чем создается движение электрического тока. Такие вещества, например, как металлы, называются проводниками.

Движение электронов в металле

В других веществах межатомные расстояния относительно велики, поэтому они являются диэлектриками, т.е. не проводят электричество. Прежде всего, это резина.

Дополнительная информация. При испускании ядрами вещества электронов и их движении происходит образование энергии, которая прогревает проводник. Такое свойство электричества называется «мощность», измеряется она в ваттах. Также эту энергию можно преобразовывать в световую или другой вид.

Для непрерывного течения электричества по сети потенциалы на конечных точках проводников (от линий ЛЭП до домовой электропроводки) должны быть разными.

История открытия электричества

Что такое электричество, откуда оно берется, и прочие его характеристики фундаментально изучает наука термодинамика с сопредельными науками: квантовой термодинамикой и электроникой.

Сказать, что какой-либо ученый изобрел электрический ток, было бы неверным, ибо с древних времен много исследователей и ученых занимались его изучением. Сам термин «электричество» ввел в обиход греческий ученый-математик Фалес, это слово означает «янтарь», поскольку именно в опытах с янтарной палочкой и шерстью Фалесу получилось выработать статическое электричество и описать это явление.

Фалес считается изобретателем термина «электричество»

Римлянин Плиний также занимался исследованием электрических свойств смолы, а Аристотель изучал электрических угрей.

В более позднее время первым, кто досконально стал изучать свойства электрического тока, стал В. Жильбер, врач английской королевы. Немецкий бургомистр из Магдебурга О.ф Герике считается создателем первой лампочки из натертого серного шарика. А великий Ньютон вывел доказательство существования статического электричества.

В самом начале 18 века английский физик С. Грей поделил вещества на проводники и непроводники, а голландским учёным Питером ван Мушенбруком была изобретена лейденская банка, способная накапливать электрический заряд, т. е. это был первый конденсатор. Американский ученый и политический деятель Б. Франклин впервые в научных терминах вывел теорию электричества.

Все 18 столетие было богатым на открытия в сфере электричества: установлена электрическая природа молнии, сконструировано искусственное магнитное поле, выявлено существование двух видов зарядов («плюс» и «минус») и, как следствие, двух полюсов (естествоиспытатель из США Р. Симмер), Кулоном открыт закон взаимодействия между точечными электрозарядами.

В следующем веке изобретены батарейки (итальянский ученый Вольта), дуговая лампа (англичанин Дейви), а также прототип первой динамо-машины. 1820 год считается годом зарождения электродинамической науки, сделал это француз Ампер, за что его имя присвоили единице для показаний силы электротока, а шотландец Максвелл вывел световую теорию электромагнетизма. Россиянин Лодыгин изобрел лампу накаливания, имеющую стержень из угля, – прародитель современных лампочек. Чуть более ста лет назад была изобретена неоновая лампа (французский ученый Жорж Клод).

И по сей день исследования и открытия в области электричества продолжаются, например, теория квантовой электродинамики и взаимодействия слабых электрических волн. Среди всех ученых, занимавшихся исследованием электричества, особое место принадлежит Николе Тесла –многие его изобретения и теории о том, как работает электричество, до сих пор не оценены по достоинству.

Получение и использование электричества

Электричество в наше время – это основа комфортной жизни, поэтому человечество нуждается в его постоянной выработке. Для этих целей возводятся различного рода электростанции (гидроэлектростанции, тепловые, атомные, ветровые, приливные и солнечные), способные с помощью генераторов вырабатывать мегаватты электричества. В основе этого процесса лежит преобразование механической (энергия падающей воды на ГЭС), тепловой (сжигание углеродного топлива – каменного и бурого угля, торфа на ТЭЦ) или межатомной энергии (атомного распада радиоактивных урана и плутония на АЭС) в электрическую.

Много научных исследований посвящено электрическим силам Земли, все они стремятся использовать атмосферное электричество для блага человечества – выработки электроэнергии.

Проекты ученого Плаусона, предполагающие использовать атмосферное электричество

Учеными предложено множество любопытных устройств генераторов тока, которые дают возможность добывать электричество из магнита. Они используют способности постоянных магнитов совершать полезную работу в виде крутящего момента. Он возникает в результате отталкивания между одноименно заряженными магнитными полями на статорном и роторном устройствах.

Электричество популярнее всех остальных источников энергии, поскольку обладает множеством преимуществ:

  • легкое перемещение до потребителя;
  • быстрый перевод в тепловой или механический вид энергии;
  • возможны новые области его применения (электромобили);
  • открытие все новых свойств (сверхпроводимость).

Электричество – это движение разнозаряженных ионов внутри проводника. Это большой подарок от природы, который люди познают с давних времен, и процесс этот еще не закончен, хотя человечество уже научилось добывать его в огромных объемах. Электричество играет огромную роль в развитии современного общества. Можно сказать, что без него жизнь большинства наших современников просто остановится, ведь недаром при отключении электричества люди говорят, что «отключили свет».

Генератор переменного тока

Генератор переменного тока или генератор постоянного тока представляют собой устройство выработки электричества путём преобразования механической энергии.

Как выглядит генератор переменного тока

Как работает генератор переменного тока? Ток генерируется в проводнике под действием магнитного поля. Удобно вырабатывать ток, если вращать прямоугольную электропроводную рамку в неподвижном поле или постоянного магнита внутри её.

При его вращении вокруг оси создаваемого им магнитного поля внутри рамки с угловой скоростью ω, вертикальные стороны контура будут активными, поскольку они пересекаются магнитными линиями. На совпадающие по направлению с магнитным полем горизонтальные стороны нет никакого действия. Поэтому в них ток не индуцируется.

Как выглядит генератор с магнитным ротором

ЭДС в рамке составит:

e = 2Bmax lv sin ωt,

где

Bmax – максимальная индукция, Тл;

l – высота рамки, м;

v – скорость рамки, м/с;

t – время, с.

Таким образом, от действия изменяющегося магнитного поля в проводнике индуцируется переменная ЭДС.

Для большого количества витков w, выразив формулу через максимальный поток Fm, получим такое выражение:

e = wFm sin ωt.

Принцип работы генератора переменного тока другого типа основан на вращении токопроводящей рамки между двумя постоянными магнитами с противоположными полюсами. Простейший пример приведён на рисунке ниже. Появляющееся в ней напряжение снимается токосъёмными кольцами.

Генератор тока с постоянными магнитами

Применение устройства не очень распространено из-за нагрузки подвижных контактов большим током, проходящим через ротор. Конструкция первого приведённого варианта также их содержит, но через них подаётся значительно меньше постоянного тока через витки вращающегося электромагнита, а основная мощность снимается с неподвижной обмотки статора.

Синхронный генератор

Особенностью устройства является равенство между частотой f, наведённой в статоре ЭДС и частотой оборотов ротора ω:

ω = 60∙ f/p об/мин,

где p – количество пар полюсов в обмотке статора.

Синхронный генератор создаёт в обмотке статора ЭДС, мгновенное значение которой определяется из выражения:

e = 2πBmax lwDn sin ωt,

где l и D – длина и внутренний диаметр сердечника статора.

Синхронный генератор вырабатывает напряжение с синусоидальной характеристикой. При подключении к его выводам С1, С2, С3 потребителей, через цепь протекает одно-, или трёхфазный ток, схема ниже.

Схема трехфазного синхронного генератора

От действия изменяющейся электрической нагрузки также изменяется механическая нагрузка. При этом увеличивается или снижается скорость вращения, в результате чего меняются напряжение и частота. Чтобы такое изменение не происходило, электрические характеристики автоматически поддерживают на заданном уровне через обратные связи по напряжению и току на роторной обмотке. Если ротор генератора выполнен из постоянного магнита, он имеет ограниченные возможности стабилизации электрических параметров.

Ротор принудительно приводится во вращение. На его обмотку подаётся индукционный ток. В статоре магнитное поле ротора, вращающееся с той же скоростью, индуцирует 3 переменные ЭДС со сдвигом по фазе.

Основной магнитный поток генератора создаётся от действия постоянного тока, проходящего через обмотку ротора. Питание может поступать от другого источника. Также распространён способ самовозбуждения, когда незначительная часть переменного тока забирается от обмотки статора и проходит через обмотку ротора после предварительного выпрямления. Процесс основан на остаточном магнетизме, которого достаточно для запуска генератора.

Основные устройства, вырабатывающие почти всю электроэнергию в мире – это синхронные гидро-, или турбогенераторы.

Классический генератор

Конструкция содержит двигатель, работающий на жидком топливе, вращающий генератор. Обороты ротора должны быть стабильными, иначе качество выработки электричества снижается. При износе генератора скорость вращения становится ниже, что является существенным недостатком устройства.

Если нагрузка на генератор ниже номинальной, он будет частично работать вхолостую, съедая лишнее топливо.

Поэтому важно при его приобретении сделать точный расчёт требуемой мощности, чтобы он был правильно загружен. Нагрузка ниже 25% запрещается, так как это влияет на его долговечность. В паспортах указаны все возможные режимы работы, которые необходимо соблюдать.

Многие виды классических моделей имеют приемлемые цены, высокую надёжность и большой диапазон мощностей. Важно загружать его как следует и вовремя производить техосмотр. На рисунке ниже представлены модели бензинового и дизельного генераторов.

Классический генератор: а) – бензиновый генератор, б) – дизельный генератор

Дизельный генератор

Генератор приводит в действие двигатель, работающий на дизельном топливе. ДВС состоит из механической части, панели управления, системы подачи топлива, охлаждения и смазки. От мощности ДВС зависит мощность генератора. Если она требуется небольшая, например, на бытовые приборы, целесообразным является применение бензинового генератора. Дизельные генераторы применяются там, где нужна большая мощность.

ДВС применяются в большинстве с верхней установкой клапанов. Они компактней, надёжней, удобны в ремонте, меньше выделяют токсичных отходов.

Генератор предпочитают выбирать с корпусом из металла, поскольку пластик менее долговечный. Устройства без щёток долговечней, а вырабатываемое напряжение более стабильное.

Ёмкость топливного бака обеспечивает работу на одной заправке не более 7 часов. В стационарных установках применяется внешний бак с большим объёмом.

Бензогенератор

В качестве источника механической энергии наиболее распространён четырёхтактный карбюраторный двигатель. Большей частью применяются модели от 1 до 6 кВт. Есть устройства до 10 кВт, способные обеспечить на определённом уровне загородный дом. Цены бензиновых генераторов являются приемлемыми, а ресурс – вполне достаточным, хотя и меньшим, чем у дизельных.

Генератор выбирается в зависимости от нагрузок.

Для больших пусковых токов и при частом применении электросварки лучше использовать синхронный генератор. Если взять асинхронный генератор мощнее, он справится с пусковыми токами. Однако, здесь важно, чтобы он был загружен, иначе бензин будет расходоваться нерационально.

Инверторный генератор

Машины применяются там, где требуется электроэнергия высокого качества. Они могут работать непрерывно или промежутками. Объектами энергопотребления здесь являются учреждения, где не допускаются скачки напряжения.

Основой инверторного генератора является электронный блок, который состоит из выпрямителя, микропроцессора и преобразователя.

Блок-схема инверторного генератора

Выработка электроэнергии начинается так же, как и в классической модели. Сначала вырабатывается переменный ток, который затем выпрямляется и поступает на инвертор, где снова превращается в переменный, с нужными параметрами.

Типы инверторных генераторов отличаются по характеру выходного напряжения:

  • прямоугольный – самый дешёвый, способный питать только электроинструменты;
  • трапецеидальный импульс – подходит для многих приборов, за исключением чувствительной техники (средняя ценовая категория);
  • синусоидальное напряжение – стабильные характеристики, подходящие для всех электроприборов (самая высокая цена).

Достоинства инверторных генераторов:

  • небольшие габариты и вес;
  • малый расход топлива за счёт регулирования выработки количества электроэнергии, которое требуется потребителям в данный момент;
  • возможность кратковременной работы с перегрузкой.

Недостатками являются высокие цены, чувствительность к температурным изменениям электронной части, небольшая мощность. Кроме того, дорого обходится ремонт электронного блока.

Инверторная модель выбирается в следующих случаях:

  • устройство приобретается только в тех случаях, когда обычный генератор не подходит, поскольку цена на него высокая;
  • требуется мощность не более 6 кВт;
  • для постоянного использования лучше подходят классические варианты генераторов;
  • необходимо частично снабжать электроэнергией бытовые приборы;
  • для бытового применения лучше использовать однофазные аппараты.

Урок » Электрический ток. Источники, потребители электрического тока » 5 класс

1.1. Приветствие;

1.2. Проверка готовности к уроку;

1.3. Настрой учащихся на работу;

Электрический ток. Какие новые слова у вас возникают?

(Ответы учеников)

Электроутюг. Электрочайник. Электроконструктор. Электроника. Электропаяльник

Как правильно писать эти слова.

Возьмите листочки на парте и вставьте пропущенные буквы.

Проверяем.

Эти приборы работают от электрического тока

Тема урока: Электрический ток. Источники, потребители электрического тока

Цель: Узнать что такое электрический ток, источники, потребители электрического тока?

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц

Допишите

Если взять микроскоп и посмотреть на провод то мы увидим.

Внутри провода частицы — атомы.

Делаем рисунок

Эти частицы колеблются на месте. Если мы заглянем внутрь атома, то увидим, что он состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов.

Делаем рисунок

Одни электроны ближе к ядру, другие дальше. Те, электроны которые находятся ближе к ядру удерживаются сильней ядром, а те кто находиться далеко — слабо. Эти частицы могут прийти в движение если их заставить чем — то двигаться. И это, чем – то есть источник.

Пример с комарами. В куче они двигаются друг около друга. Если возникнет ветер, они полетят по направлению ветра.

В переводе с греческого электричество означает «янтарь». В древней Греции математик Фалес взял янтарную палочку и шерсть. А что произошло дальше, мы узнаем.

Проводим опыт Фалеса.

Берем бумагу и ручку, натираем на одежде, подносим к бумаге. Она поднимается.

Легенда древней Греции гласит, что дочь Фалеса пряла пряжу янтарным веретеном. Веретено упало в воду. Она достала веретено из воды и стала обтирать веретено шерстяным хитоном. Тем больше обтирала веретено, тем больше прилипло к нему шерстинок.

Мы получили электрический заряд, ток. Но его мало.

А где на практике много получают электрического тока?

(Ответы учеников)

На реке плотина. Через нее проходит вода и крутит вал – турбину. Получается электрический ток. Это —

(Ответы учеников)

Это – гидроэлектростанция. В поле стоит мельница но она не мелет зерно. Она получает электрический ток.

(Ответы учеников)

А есть еще атомная и тепловая. Там получают электрический ток с помощью пара и энергии атома.

Допишите электростанции. Проверяем.

Все эти электростанции источники электричества.

А теперь мы проведем физкультминутку.

Упражнение «мельница». Движение руками. Упражнение » вода». Движение руками. Упражнение «Вал». Движение руками.

Источники электричества — электростанции.

А в легковой машине, откуда берется ток?

(Ответы учеников)

А в магнитофоне, откуда берется ток?

(Ответы учеников)

Источники электричества — электростанции, аккумулятор, гальванический элемент.

Аккумулятор, гальванический элемент. Записываем

Теперь, мы знаем откуда берется электрический ток.

А кто потребляет?

(Ответы учеников)

Теперь загадки.

Посмотри на мой бочок,

Во мне вертится волчок.

Никого он не бьёт,

Зато всё собьёт! (Миксер)

Только я, только я

Я на кухне главная.

Без меня, как не трудитесь

Без обеда насидитесь. (Электроплита)

Он охотно пыль вдыхает,

Не болеет, не чихает. (Пылесос)

Не радио, а говорит,

Не театр, а показывает. (Телевизор)

То назад, то вперёд

Ходит-бродит пароход.

Остановишь – горе! –

Продырявишь море. (Утюг)

Подведем итог. Все эти электроприборы — потребители.

А теперь мы поработаем с конструктором.

Возьмите из конструктора источник электричества — батарейку. Теперь потребитель — лампочку.

Как от источника ток поступит к потребителю?

(Ответы учеников)

Выполняем работу вместе.

Провода изготовлены, из какого материала?

(Ответы учеников)

Металлы — проводники. Они проводят ток.

Итак, вопрос. А сухая веревка проводит электричество?

Проведем опыт

А если веревка мокрая ток пойдет. Поэтому мокрыми руками нельзя трогать электроприборы. Это одно из главных правил по ТБ при работе с электрическим током.

Материалы, которые не проводят электричество, называют изоляторы.

Изоляторы – бумага, ткань, резина, дерево.

А теперь подведем итоги

Что нового мы сегодня узнали?

FILED UNDER : Справочник

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*