Что такое электрический ток
Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля . Такими частицами могут являться: в проводниках – электроны , в электролитах – ионы (катионы и анионы), в полупроводниках – электроны и, так называемые, «дырки» («электронно-дырочная проводимость»). Также существует «ток смещения «, протекание которого обусловлено процессом заряда емкости, т.е. изменением разности потенциалов между обкладками. Между обкладками никакого движения частиц не происходит, но ток через конденсатор протекает.
В теории электрических цепей за ток принято считать направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля.
Током проводимости (просто током) в теории электрических цепей называют количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника:
где i — ток. А; q = 1,6 · 10 9 — заряд электрона, Кл; t — время, с.
Это выражение справедливо для цепей постоянного тока. Для цепей переменного тока применяют так называемое мгновенное значение тока, равное скорости изменения заряда во времени:
Первым условием длительного существования электрического тока рассматриваемого вида является наличие источника, или генератора, поддерживающего разность потенциалов между носителями зарядов. Второе условие — замкнутость пути. В частности, для существования постоянного тока необходимо наличие замкнутого пути, по которому заряды могут перемещаться внутри контура без изменения их значения.
Как известно, в соответствии с законом сохранения электрических зарядов они не могут создаваться или исчезать. Поэтому, если любой объем пространства, где протекают электрические токи, окружить замкнутой поверхностью, то ток, втекающий в этот объем, должен быть равен току, вытекающему из него.
Замкнутый путь, по которому течет электрический ток, называют цепью электрического тока, или электрической цепью.
Условием создания постоянного тока является замкнутая электрическая цепь.
Электрическая цепь делится на две части: внутреннюю, в которой электрически заряженные частицы движутся против направления электростатических сил, и внешнюю часть, в которой эти частицы движутся в направлении электростатических сил. Концы электродов, к которым подсоединяется внешняя цепь, называются зажимами.
Итак, электрический ток возникает тогда, когда на участке электрической цепи появляется электрическое поле, или разность потенциалов между двумя точками проводника. Разность потенциалов между двумя точками электрической цепи называют напряжением или падением напряжения на этом участке цепи .
Вместо термина «ток» («величина тока») часто применяется термин «сила тока». Однако последний нельзя назвать удачным, так как сила тока не есть какая-либо сила в буквальном смысле этого слова, а только интенсивность движения электрических зарядов в проводнике, количество электричества, проходящего за единицу времени через площадь поперечного сечения проводника.
Ток характеризуется силой тока, которая в системе СИ измеряется в амперах (А), и плотностью тока , которая в системе СИ измеряется в амперах на квадратный метр.
Теперь, когда мы знаем, что такое единица силы тока, мы можем вывести другие единицы, описывающие свойства электричества. В предыдущем тексте говорилось об электрическом заряде и его свойствах.
Один ампер соответствует перемещению через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с) заряда электричества величиной в один кулон (Кл):
В общем случае, обозначив ток буквой i, а заряд q, получим:
Единица тока называется ампер (А) .
Ампер является одной из основных физических единиц для описания физических явлений. Эта единица была названа в честь известного французского математика и физика по имени Андре Мария Ампера (1775 — 1836).
Ампер (А) — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создает между этими проводниками 2 · 10 -7 Н на каждый метр длины.
Ток в проводнике равен 1 А, если через поперечное сечение проводника за 1 сек проходит электрический заряд, равный 1 кулон.
Направленное движение электронов в проводнике
Если вдоль проводника действует напряжение, то внутри проводника возникает электрическое поле. При напряженности поля Е на электроны с зарядом е действует сила f = Ее. Величины f и Е векторные. В течение времени свободного пробега электроны приобретают направленное движение наряду с хаотическим.
Каждый электрон имеет отрицательный заряд и получает составляющую скорости, направленную противоположно вектору Е. Упорядоченное движение, характеризуемое некоторой средней скоростью электронов vcp, определяет протекание электрического тока.
Электроны могут иметь направленное движение и в разреженных газах. В электролитах и ионизированных газах протекание тока в основном обусловлено движением ионов. В соответствии с тем, что в электролитах положительно заряженные ионы движутся от положительного полюса к отрицательному, исторически направление тока было принято обратным направлению движения электронов.
За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительно заряженные частицы, т.е. направление, противоположное перемещению электронов.
В теории электрических цепей за направление тока в пассивной цепи (вне источников энергии) взято направление движения положительно заряженных частиц от более высокого потенциала к более низкому. Такое направление было принято в самом начале развития электротехники и противоречит истинному направлению движения носителей заряда — электронов, движущихся в проводящих средах от минуса к плюсу. Подробнее об этом смотрите здесь: Направление электрического тока
Направление электрического тока в электролите и свободных электронов в проводнике
Измерение тока
Измерительные приборы, которые используются для измерения тока, называются амперметрами.
Если мы хотим измерить электрический ток, мы всегда размещаем измерительный прибор последовательно (компоненты, выстроенные в цепи друг за другом) на данном участке цепи. В той части цепи, которую мы измеряем, всегда должна быть нагрузка (например, в виде резистора), чтобы избежать короткого замыкания.
Плотность тока
Электрический ток обычно протекает по всему объему проводника. Однако локально как количество, так и скорость носителей заряда и их направление могут изменяться в проводнике. Для описания локального электрического тока вводится векторная физическая величина плотность электрического тока (сокращенно плотность тока).
Плотность тока — величина, равная отношению тока к площади поперечного сечения S:
При этом предполагается, что ток равномерно распределен по сечению проводника. Плотность тока в проводах обычно измеряется в А/мм 2 .
Электрические токи в природе
Электрические токи встречаются и в природе. Они возникают, например, в земле, и геологи используют их при поисках полезных ископаемых. Сильные электрические токи образуются на высоте в сотни километров над нами, в ионосфере, в верхнем электрически заряженном слое воздуха.
Красивые разноцветные сияния, которые наблюдаются в полярных странах, — это движение заряженных частиц в разреженных газах, т. е. особые электрические токи.
С помощью искусственных спутников и космических ракет советские ученые открыли, что вокруг земного шара, на расстоянии тысяч километров от него, движутся громадные потоки заряженных частиц.
Еще более сильные, гигантские электрические токи возникают на солнце, в его раскаленных газах, которые состоят из заряженных частиц и находятся в бурном движении.
Однако все эти электрические токи в природе значительно отличаются от тех, которые создает и использует в технике человек. Ведь он воздействует на природу, изменяет ее, переделывает и заставляет служить себе.
Токи в земле, в атмосфере или в раскаленных газах солнца текут неупорядоченно, по неправильным извилистым путям, захватывая широкое пространство, растекаясь в разные стороны и рассеивая свою энергию.
Человек же создал упорядоченный электрический ток, движущийся по длинным и узким металлическим проводам, проложенным в определенном нужном направлении. Люди превратили «дикое» природное электричество в «культурное», техническое.
Важные термины и определения
По типу носителей электрических зарядов и среды их перемещения различают токи проводимости и токи смещения . Проводимость делят на электронную и ионную. Для установившихся режимов различают два вида токов: постоянный и переменный.
Электрическим током переноса называют явление переноса электрических зарядов заряженными частицами или телами, движущимися в свободном пространстве. Основным видом электрического тока переноса является движение в пустоте элементарных частиц, обладающих зарядом (движение свободных электронов в электронных лампах), движение свободных ионов в газоразрядных приборах.
Электрическим током смещения (током поляризации) называют упорядоченное движение связанных носителей электрических зарядов. Этот вид тока можно наблюдать в диэлектриках.
Полный электрический ток — скалярная величина, равная сумме электрического тока проводимости, электрического тока переноса и электрического тока смещения сквозь рассматриваемую поверхность.
Постоянным называют ток, который может изменяться по величине, но не изменяет своего знака сколь угодно долгое время. Подробнее об этом читайте здесь: Постоянный ток
Ток намагниченности — постоянный микроскопический (амперовый) ток, являющийся причиной существования собственного магнитного поля намагниченных веществ.
Переменный электрический ток
Переменным называют ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. Величиной, характеризующей переменный ток, является частота (в системе СИ измеряется в герцах), в том случае, когда его сила изменяется периодически.
Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника. Токи высокой частоты применяется в машиностроении для термообработки поверхностей деталей и сварки, в металлургии для плавки металлов. Переменные токи подразделяют на синусоидальные и несинусоидальные . Синусоидальным называют ток, изменяющийся по гармоническому закону:
Скорость изменения переменного тока характеризуется его частотой, определяемой как число полных повторяющихся колебаний в единицу времени. Частота обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц). Так, частота тока в сети 50 Гц соответствует 50 полным колебаниям в секунду. Угловая частота w — скорость изменения тока в радианах в секунду и связана с частотой простым соотношением:
Установившиеся (фиксированные) значения постоянного и переменного токов обозначают прописной буквой I неустановившиеся (мгновенные) значения — буквой i. Условно положительным направлением тока считают направление движения положительных зарядов.
Переменный ток — это ток, который изменяется по закону синуса с течением времени.
Под переменным током также подразумевают ток в обычных одно- и трёхфазных сетях. В этом случае параметры переменного тока изменяются по гармоническому закону.
Поскольку переменный ток изменяется во времени, простые способы решения задач, пригодные для цепей постоянного тока, здесь непосредственно неприменимы. При очень высоких частотах заряды могут совершать колебательное движение — перетекать из одних мест цепи в другие и обратно. При этом, в отличие от цепей постоянного тока, токи в последовательно соединённых проводниках могут оказаться неодинаковыми.
Ёмкости, присутствующие в цепях переменного тока, усиливают этот эффект. Кроме того, при изменении тока сказываются эффекты самоиндукции, которые становятся существенными даже при низких частотах, если используются катушки с большой индуктивностью.
При сравнительно низких частотах цепи переменного тока можно по-прежнему рассчитывать с помощью правил Кирхгофа, которые, однако, необходимо соответствующим образом модифицировать.
Цепь, в которую входят разные резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, можно рассматривать, как если бы она состояла из обобщённых резистора, конденсатора и катушки индуктивности, соединённых последовательно.
Рассмотрим свойства такой цепи, подключённой к генератору синусоидального переменного тока. Чтобы сформулировать правила, позволяющие рассчитывать цепи переменного тока, нужно найти соотношение между падением напряжения и током для каждого из компонентов такой цепи.
Конденсатор играет совершенно разные роли в цепях переменного и постоянного токов. Если, например, к цепи подключить электрохимический элемент, то конденсатор начнёт заряжаться, пока напряжение на нём не станет равным ЭДС элемента. Затем зарядка прекратится и ток упадёт до нуля.
Если же цепь подключена к генератору переменного тока, то в один полупериод электроны будут вытекать из левой обкладки конденсатора и накапливаться на правой, а в другой — наоборот.
Эти перемещающиеся электроны и представляют собой переменный ток, сила которого одинакова по обе стороны конденсатора. Пока частота переменного тока не очень велика, ток через резистор и катушку индуктивности также одинаков.
В устройствах-потребителях переменного тока переменный ток часто выпрямляется выпрямителями для получения постоянного тока.
Электрический ток в твердых телах
Электрические провода и кабели — это хорошо проводящие пути или каналы, по которым передается и подводится поток электроэнергии.
В развитии электротехники большую роль сыграли материалы, хорошо проводящие ток, — проводники электричества. Ими прежде всего оказались металлы.
Простая, казалось бы, вещь — металлический электрический провод, но он был одним из самых великих изобретений человеческого гения и сыграл громадную, неоценимую роль в развитии электротехники, а значит и техники вообще.
Ведь именно он явился хорошим проводящим путем для электрического тока. Благодаря ему был создан тот упорядоченный электрический ток, который мы применяем в технике.
Является ли твердое вещество после подключения к источнику напряжения будет проводить электричество ток (проводник) или нет (изолятор), зависит от его строения:
- Проводники (металлы) имеют кристаллическую решетку, которая состоит из положительных ионов металлов. Валентные электроны связаны с катионами металлической связью, но она очень слабая. Поэтому валентные электроны могут быть очень легко оторваны. При подключении провода к источнику напряжения движение электронов будет направленным и они будут двигаться от отрицательного к положительному полюсу источника.
- Изоляторы не имеют металлической связи, а валентные электроны связаны в оболочке сильной силой (например, ионной связью).
С точки зрения строения вещества металлы можно представить себе в виде трехмерной решетки, в узлах которой находятся ионизированные атомы, т. е. атомы, от которых оторвалось по одному электрону. Таким образом, решетка металла представляет собой периодическое расположение неподвижных (фиксированных) положительных зарядов, вблизи которых хаотически движутся электроны.
Количество электронов в кристалле примерно равно количеству ионизированных атомов (в 1 см 3 вещества находится примерно 10 23 атомов). Если такой кристалл поместить в электрическое поле, то свободные электроны будут двигаться против направления поля, т. е. через кристалл начнет протекать ток.
Диэлектрик (или изолятор) отличается от металла тем, что в нем почти не содержится свободных электронов, и поэтому через такое вещество электрический ток практически не протекает. Даже нагрев, обычно увеличивающий энергию электронов и способствующий отрыву их от ядер, в диэлектрике приводит лишь к тому, что он плавится, но так и не становится хорошим проводником.
Проводники электрического тока
Электрический ток во всех его проявлениях представляет собой кинетическое явление, аналогичное течению жидкости в замкнутых гидравлических системах. По аналогии процесс движения тока называется «течением» (ток течет).
Материал, в котором течёт ток, называется проводником. Некоторые материалы при низких температурах переходят в состояние сверхпроводимости. В таком состоянии они не оказывают почти никакого сопротивления току, их сопротивление стремится к нулю.
Во всех остальных случаях проводник оказывает сопротивление течению тока и в результате часть энергии электрических частиц превращается в тепло. Силу тока можно рассчитать по закону Ома для участка цепи и закону Ома для полной цепи.
Скорость движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частицы, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света в данной среде, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.
Электрический ток в газах
Электрический ток в газах вызывается электронами, положительными и отрицательными ионами. При нормальном давлении и температуре газы содержат очень мало свободных электрически заряженных частиц, поэтому они являются очень хорошими изоляторами.
Под действием высокой температуры или излучения (ультрафиолетового, рентгеновского или радиоактивного) из изначально нейтральных молекул газа высвобождаются электроны и образуются положительные ионы. Часть освободившихся электронов захватывается нейтральными молекулами и образует отрицательные ионы. Таким образом, непроводящие газы становятся проводящими газами. Происходит ионизация газа.
Энергия, необходимая для отрыва электрона от нейтрального атома, называется энергией ионизации. Она выражается в электрон-вольтах (эВ).
Если электрон соединяется с положительным ионом или отрицательный ион с положительным ионом в газах, снова образуется нейтральная молекула газа. Мы называем этот процесс рекомбинацией ионов . Проведение электрического тока через газ называется электрическим разрядом в газе.
Как ток влияет на организм человека
Ток, пропущенный через организм человека или животного, может вызвать электрические ожоги, фибрилляцию или смерть. С другой стороны, электрический ток используют в реанимации, для лечения психических заболеваний, особенно депрессии, электростимуляцию определённых областей головного мозга применяют для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия, водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии. В организме человека и животных ток используется для передачи нервных импульсов.
По технике безопасности, минимально ощутимый человеком ток составляет 1 мА. Опасным для жизни человека ток становится начиная с силы примерно 0,01 А. Смертельным для человека ток становится начиная с силы примерно 0,1 А. Безопасным считается напряжение менее 42 В.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)
Недавно мы предлагали читателям-гуманитариям задать вопросы обо всём техническом. В десятке самых популярных вопросов — как ток бежит по проводам и другие вопросы, связанные с электричеством. Постараемся ответить максимально просто.
Что такое электрический ток
«Ток» — от слова «течь», то есть что-то течёт. Можно представить, что это течёт вода.
«Электрический ток» — это когда текут некие частицы, которые передают электрический заряд.
«Электрический заряд» можно представить как кусочек энергии, который может заставить какие-то специальные механизмы что-то делать: крутиться, нагреваться, охлаждаться, сжиматься, светиться и т. д. Например, если у вас есть электрический моторчик, то он начинает вращаться, когда в него затекает электрический заряд.
Частицы, которые передают электрический заряд в токе, называются электронами. Можно представить, что это молекулы воды, хотя в реальности это сложнее.
Чуть сложнее: что же такое электрон?
Учёные называют электрон элементарной частицей — то есть самое простое, что бывает и что нельзя разобрать на части.
Считается, что электрон способен передавать минимально возможный в природе отрицательный заряд.
Нюанс с электронами в том, что его очень сложно поймать. Это не какая-то точка в пространстве, которую можно взять в маленький пинцет и пощупать. Это больше похоже на облако, внутри которого с какой-то вероятностью в каждой точке может быть электрон.
Есть теория, что электрон — это не просто частица, а проявление возмущения электромагнитного поля. Можно представить так: сквозь нас проходит невидимое поле, мы как бы в него погружены. Колебания этого поля создают в пространстве то, что мы воспринимаем как частичку-электрон. Это как если бы мы сидели на озере и видели волны, но не знали бы, что они берутся из озера.
Другая математическая концепция говорит, что электрон — это невидимая нам струна, которая вибрирует определённым образом. Это не доказано, но теория есть.
Как ток бежит по проводам
Для начала метафора:
- Представьте, что у вас есть труба.
- С одной стороны к трубе подключён большой бак с водой. Вода давит сама на себя.
- С другой стороны у трубы кран. Пока он закрыт, вода никуда не льётся, потому что ей некуда.
- Вы открываете кран, вода начинает литься: из места, где она на себя давит, в место, где на неё ничто не давит.
Как это переносится на электричество:
- У вас есть материал, в котором электроны могут перемещаться с некоторой свободой. Такие материалы называются проводниками — это всякие металлы, например медь.
- В одном месте проводника создаётся избыток электронов, которые друг на друга давят, им там тесно и напряжно.
- В другом месте проводника создаётся недостаток электронов.
- Электроны начинают течь из места напряга в место расслабления (условно говоря).
Чуть сложнее: как на самом деле бежит ток
На самом деле электроны в проводнике перемещаются очень мало и сами по себе не передают энергию из точки А в точку Б.
Правильнее сказать так: электроны двигаются в целом хаотично, а общим направлением их движения управляет электромагнитное поле. Именно поле определяет, сколько куда энергии передать, и именно поле отвечает за передачу этой энергии.
Но со стороны это выглядит неотличимо от того, как если бы сами электроны текли по проводам, как вода. Поэтому в учебниках обычно ограничиваются этим объяснением.
Как ток превращается в работу моторов, грелок и прочих полезных приборов
Люди изобрели устройства, которые превращают электрический ток в полезную работу. Например:
Электромотор работает так: там есть центральная вращающаяся ось и её окружение. По окружению бежит ток, который создаёт электромагнитное поле (считайте, что там появляется магнит). На центральной оси тоже есть что-то вроде магнита, который начинает вращать эту ось под действием внешнего магнита. Получается вращение.
Нагреватели работают так: электроны стукаются об атомы в нагревающем элементе и передают им энергию. Атомы начинают шевелиться, потому что по ним лупят электроны. Шевеление атомов — это и есть тепловая энергия.
Светодиоды работают так: там используются кусочки кремния, в которые подмешаны разные дополнительные материалы. Комбинации этих подмесов позволяют электронам передавать энергию от одного кусочка кремния к другому, попутно превращая эту энергию в фотоны, то есть в свет. В зависимости от того, что подмешано в кремний, можно получать светодиоды разных цветов.
Про компьютеры и как там работает электричество — расскажем отдельно.
Что такое постоянный и переменный ток?
Люди придумали, что электроны можно гонять по проводнику двумя способами: просто в одном направлении и туда-сюда.
Постоянный ток — это когда ток идёт в одном направлении от места, где у тебя избыток электронов (минус) в место, где у тебя недостаток электронов (плюс). Постоянный ток используется внутри всего, что питается от батарей; во всей электронике; в компьютерах и смартфонах.
Переменный ток — это когда ток течёт то в одном направлении, то в другом. Направление тока меняется 50–60 раз в секунду. Это изобретение позволило передавать ток на дальние расстояния и сделало его более удобным в эксплуатации. В розетке у вас переменный ток.
В вашей бытовой электронике стоит преобразователь переменного тока в постоянный. Он берёт переменный ток из розетки и переводит в нужный для прибора постоянный ток.
Что такое короткое замыкание?
Обычно ток гоняют по проводам не просто так, а чтобы передать энергию какому-то полезному устройству — например светодиоду. На этом устройстве теряется часть энергии и движение тока затруднено.
Если просто дать току бежать по проводам без нагрузки, он будет бежать очень бодро, попутно сталкиваясь с атомами своего проводника. Атомы от такого мощного потока начнут греться. А если тока много, то проводник нагреется очень быстро и может загореться. Это и есть короткое замыкание.
Короткое замыкание случается тогда, когда соединяются напрямую плюс и минус или два провода с переменным током. Это может произойти, если собака перегрызёт вам кабель питания и в нём соединятся два провода. Тогда за несколько секунд провода перегреются и могут загореться.
Чтобы предотвратить пожар из-за короткого замыкания, во всех квартирах сейчас устанавливают специальные устройства: они автоматически отключают ток, когда видят, что ток стал слишком большим.
Что нужно знать гуманитарию про ток?
Не ремонтируйте самостоятельно розетки и не вешайте люстры на голые провода. Вызовите электрика.
Не трогайте оголённые провода. Никакие и никогда.
Не разбирайте устройства, если на них наклеена наклейка «Опасность электрического шока». Там наверняка стоит какой-нибудь лютый конденсатор, который может ударить током будь здоров. Вообще, лучше не разбирать устройства, если вы точно не знаете, как их отремонтировать.
Если у вас маленькие дети, сначала поставьте заглушки на розетки, а потом научите детей технике безопасности с розеткой.
Электрический ток
Трибуны легкоатлетического стадиона затихли в ожидании. Через секунду прозвучит выстрел судейского пистолета, и длинноногие жилистые бегуны синхронно сорвутся с мест. Движимые волей к победе, все они помчатся в одном направлении — к финишу, перепрыгивая барьеры и затрачивая энергию. Похожий процесс происходит в спрятанных в стенах дома проводах, когда вы щелкаете выключателем светильника.
По замкнутой траектории под действием внешней силы начинается упорядоченное движение «бегунов» — крошечных частиц, обладающих электрическим зарядом. Наткнувшись на прибор, то есть полезную нагрузку, частицы отдают ему электрическую энергию. Так, например, заряжается аккумулятор смартфона.
Что такое электрическая энергия
От профессионального бегуна любой из нас отличается скоростью передвижения, процентом мышечной массы и выносливостью. Элементарные частицы: протоны , электроны и нейтроны, из которых построены все окружающие нас предметы и мы сами, тоже характеризуются определенными параметрами. У всех частиц одного вида они одинаковые, например, масса любого электрона в мире — 9,1*10 -31 килограмма (или 0,0000000000000000000000000000091 килограмма).
От массы зависит, как сильно две крошечные частицы или два крупных объекта будут притягиваться друг к другу. Чем больше масса, тем сильнее гравитационное поле вокруг частиц или состоящего из них объекта и больше сила притяжения. Солнце обладает гигантской массой (10 30 килограммов или 10 с тридцатью нолями) и удерживает вокруг себя восемь планет, пояс астероидов и кометы.
Еще один параметр элементарных частиц — электрический заряд. Частица, обладающая им, создает вокруг себя электрическое поле. Другие заряды, попадая в это поле, начинают двигаться, но не всегда — к частице. В отличие от массы, создающей гравитационное поле, которое всегда притягивает другие частицы, электрический заряд бывает двух видов. Для удобства их обозначают знаками «плюс» и «минус». Одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные — притягиваются, как Солнце и планеты.
Если силой «оттащить» притягивающиеся разноименные заряды друг от друга, они «накопят» электрическую энергию, как предметы копят гравитационную на большом расстоянии. Поднимая камень на большую высоту, мы придаем ему потенциальную энергию. Чем выше, тем энергия больше. Когда пальцы отпускают камень, он падает и ускоряется из-за гравитации Земли. Энергию, которая при этом высвободилась, мы можем ощутить на себе, если вовремя не уберем ногу. Если сила, разделяющая электрические заряды , прекратит действовать, они, подобно камням, падающим на землю, тут же устремятся навстречу друг другу, высвобождая накопленную электрическую энергию. Она и приводит в действие всю технику вокруг нас.
Как возникает и из чего состоит электрический ток
Электростатическое притяжение между отрицательно заряженным электроном и положительным протонам в 2,3*10 39 раз сильнее гравитационного. Поэтому в природе разноименные заряды в атомах очень хорошо «перемешаны» друг с другом и всегда стремятся перемешаться еще лучше, ведь их сближение высвобождает электрическую энергию.
Смешение зарядов начинается на уровне атомов: в них число положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов обычно одинаковое. Атомы не создают собственное электрическое поле, хотя внутри них — между положительно заряженным ядром, состоящим из протонов, и электронными оболочками — поле очень сильное.
Электроны на внешних оболочках связаны с ядрами слабее, чем электроны на внутренних, и обладают условной «свободой», как сторожевые собаки на длинной цепи. При встрече нескольких атомов их внешние электроны могут перейти в «коллективное пользование» и объединить атомы друг с другом — образовать химическую связь. Так из атомов образуются молекулы. В металлах внешние электроны настолько свободны, что не принадлежат ни одному из атомов. Своим притяжением к положительно заряженным ядрам они связывают все атомы куска металла воедино, но могут свободно «гулять без поводка» по всему его объему. Поэтому из металлов и делают электрические провода.
В состоянии покоя электроны просто «носятся» внутри металла туда-сюда, участвуя в таком же хаотичном движении, как молекулы газа в воздухе. Но стоит электронам в металле «почувствовать» внешнюю силу — электрическое поле от источника электродвижущей силы, — все они начинают смещаться туда, куда их влечет это воздействие. Направленное движение электронов и других носителей заряда в замкнутом контуре — это и есть электрический ток.
Откуда берется электричество?
В творческой поездке «Энергокруиз», организованной ТГК-1 с 20 по 25 июля в честь 10-летия своего основания, мне посчастливилось воочию увидеть, как зарождается электричество.
Наверное, каждому пользователю в душе интересно, откуда берутся эти самые электроны в электрической лампочке. Все знают — вырабатываются на ГЭС, ТЭЦ, с атомных станций. Меньше людей слышали о солнечных, ветряных, геотермальных, приливных станциях, ещё меньше — о ГРЭС (государственные районные электрические станции), и ГАЭС. И уж совсем мало кто знает, как это оказывается сложно — управлять электричеством.
В чём сложность? И вот тут в двух словах не объяснить — приходится лезть в дебри энергетики. А знать стоит, потому что именно из этих знаний складывается самая волнующая нас интрига — цена за киловатт.
Первая хитрость — электричество нельзя запасти «на завтра», и приходится ориентироваться на текущую выработку, а потери при транспортировке высоки — поэтому энергетики вынуждены приспосабливаться буквально на каждом шагу: использовать низкий ток, менять сечения проводов, использовать повышающие и понижающие трансформаторы, дозировать электроэнергию дополнительными станциями.
Мало того, трудности возникают и в частном порядке — есть пики и провалы в энергопотреблении, а тяжесть проводов может не выдержать погодных условий — например, снегопада. Вот почему земля буквально опутана проводами разных сортов — электричество нужно всем и каждому, желательно — бесплатно, а подать его в нужной мощности и за деньги не легко.
Вот пример. Генератор может выдавать только столько мощности, сколько может потребить потребитель. Если даже генератор имеет установленную мощность на 100 МВт, то он не сможет ее набрать, если нет соотвестствующей нагрузки. Как частный случай – выдаст, но с отклонением от принятой частоты в 50Гц, что сделает невозможным использовать такую электроэнергию, а это — невосполнимые затраты.
Всё начинается именно с генератора — это чудесное устройство невообразимым, но легко объяснимым физикой способом вырабатывает с помощью силы воды поток электронов, которые начинают своё экстравагантное путешествие по проводам — к чайнику.
ГЭС преобразует механическую энергию воды в электрическую — в этом она, кстати, самая экологичная. Вода «давит» на лопасти рабочего колеса, которое на одном валу с генератором. Чем больше напор – тем больше давление. Генератор представляет из себя ротор и статор. Статор – неподвижная часть с обмоткой. Ротор вращается в электрическом поле статора, возникает Электродвижущая сила (ЭДС). С выводных устройств идет съем электроэнергии — это описание принципа работы любого генератора.
Но вот в чём чудо — в этом «пахтании океана» появляются электроны, и они не одиноки. Есть ещё электрически заряженные частицы, квази частицы. Электроны в проводах можно сравнить с рыбами в воде: проводники для них — среда обитания. В диэлектриках жизни нет)
Трансформаторами мощность и понижают, и повышают, и что там происходит с частицами — можно представить. И через поля проходят — правда, магнитные; притягиваются и отталкиваются, исчезают — и возникают! В путешествиях по подстанциям могут менять и вид энергии, и форму. Двигаются с небольшой скоростью, но по отношению с неподвижными собратьями находятся на границе, которая уже имеет скорость света. У электронов море приключений прежде, чем они постучатся в ваш дом.
Поздороваться с электронами нельзя, как и поговорить. По сути они — просто другая форма жизни, которую нам по счастливой случайности или глубокой закономерности удалось приручить — как оленей, кошек, окучить картошку. С этой точки зрения наше существование на планете явление столь же необычное и интересное, как и бег электронов.
Но вернёмся на Землю. Для нас важно – уровень напряжения, частота электрического тока в сети. Суточная неравномерность потребления регулируется автоматикой: у системного оператора стоит основной управляющий блок станциями, которые в этой системе состоят. Генераторы например работают в системе ГРАМ – «групповое регулирование активной мощности». Система распределяет нагрузку оптимально для каждого генератора. Естественно, стараются применять типовые генераторы. Тогда случае изменения нагрузки потребителем система ГРАМ загружает или разгружает генераторы за секунды.
Есть еще система АРЧМ – «автоматическое регулирование частоты и мощности». Это специальная программа, которая воздействует на управление регуляторами скоростей. Ее задача – держать заданные показатели в норме. Допустим, задано держать переток из Кольской энергосистемы в Карельскую мощность в 500 МВт. И вдруг «отваливается» какой-то крупный потребитель на 50 МВт. Значит, система АРЧМ должна воздействовать на некоторые управляющие элементы и где-то в энергосистеме снизить их мощность.
Система действует в течении секунд. В пределах 10 секунд обычно устраняется возмущение. При очень крупных дисбалансах установка равновесия может занимать 1-2 минуты.
То есть ГРАМ управляет в масштабе одной станции, а АРЧМ управляет станциями. К сожалению, и это не всегда эффективно. Допустим, маленькая станция, 6 МВт. А потребитель в нашем примере «отвалился» на 50 МВт. Что там регулировать?
Потому АРЧМ стараются ставить на больших станциях, например, на Верхнетуломской ГЭС, на Серебрянских, на Териберке. На Княжегубской ГЭС. Каждая система управления это немалые расходы на монтаж и содержание, хоть процессы и автоматизированы. И всё это — только начальные дебри!
