Основы электротехники — начинаем путь в мир электричества. Базовые понятия о электричестве Основы электротехники для начинающих

22.04.2024

Видео версия статьи:

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. Я нашёл вот такую очень крутую табличку, которая связывает все изученные нами на этот момент величины.
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.

СОДЕРЖАНИЕ:
ВСТУПЛЕНИЕ

РАЗНОВИДНОСТЬ ПРОВОДОВ
СВОЙСТВА ТОКА
ТРАНСФОРМАТОР
НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ОПАСНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
ЗАЩИТА
ПОСЛЕСЛОВИЕ
СТИХОТВОРЕНИЕ ПРО ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
ДРУГИЕ СТАТЬИ

ВСТУПЛЕИЕ

В одном из эпизодов "Цивилизация" я критиковал несовершенство и громоздкость образования, потому что оно, как правило, преподаётся за-наученным языком, нашпигованным непонятными терминами, без наглядных примеров и образных сравнений. Эта точка зрения не изменилась, но мне наскучило быть голословным, и я попытаюсь описать принципы электричества простым и понятным языком.

Убеждён, что все многотрудные науки, особенно описывающие явления, которые человек не может постичь своими пятью чувствами (зрение, слух, обоняние, вкус, осязание), например, квантовая механика, химия, биология, электроника - должны преподаваться в виде сравнений и примеров. А ещё лучше - создать красочные учебные мультфильмы о невидимых процессах внутри материи. Сейчас я за полчаса сделаю из Вас электро-технически грамотных людей. И так, начинаю описание принципов и законов электричества при помощи образных сравнений...

НАПРЯЖЕНИЕ, СОПРОТИВЛЕНИЕ, ТОК

Можно вращать колесо водяной мельницы толстой струёй со слабым напором или тонкой с большим напором. Напор - это напряжение (измеряется в ВОЛЬТах), толщина струи - ток (измеряется в АМПЕРах), а общая сила бьющая в лопатки колеса - мощность (измеряется в ВАТТах). Водяное колесо образно сравним с электродвигателем. То есть, может быть высокое напряжение и малый ток или низкое напряжение и большой ток, а мощность в обоих вариантах одинаковой.

Напряжение в сети (розетке) стабильно (220 Вольт), а ток всегда разный и зависит от того, что мы включаем, а точнее от сопротивления, которым обладает электроприбор. Ток = напряжение разделить на сопротивление, или мощность разделить на напряжение. Например, на чайнике написано - мощность (Power) 2,2 кВт, значит 2200 Вт (W) - Ватт, делим на напряжение (Voltage) 220 В (V) - Вольт, получаем 10 А (Ампер) - ток, который течёт при работе чайника. Теперь напряжение (220 Вольт) делим на рабочий ток (10 Ампер), получаем сопротивление чайника - 22 Ом (Ома).

По аналогии с водой, сопротивление похоже на трубу заполненную пористым веществом. Чтобы продавить воду через эту пещеристую трубку необходимо определённое давление (напряжение), а количество жидкости (ток) будет зависеть от двух факторов: этого давления, и того, насколько проходима трубка (её сопротивления). Такое сравнение подходит нагревательным и осветительным приборам, и называется АКТИВНЫМ сопротивлением, а сопротивление катушек эл. двигателей, трансформаторов и эл. магнитов работает иначе (об этом несколько позже).

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ, АВТОМАТЫ, ТЕРМОРЕГУЛЯТОРЫ

Если сопротивление отсутствует, то ток стремится увеличиться до бесконечности и расплавляет провод - это называется коротким замыканием (КЗ). Чтобы защитить от этого эл. проводку ставятся предохранители или автоматические выключатели (автоматы). Принцип действия предохранителя (вставка плавкая) предельно прост, это умышленно-тонкое место в эл. цепи, а где тонко - там рвётся. В керамическом термостойком цилиндре вставлена тонкая медная проволока. Толщина (сечение) проволоки значительно тоньше эл. проводки. Когда ток превышает допустимый предел - проволока перегорает и "спасает" провода. В рабочем режиме проволока может сильно нагреваться, поэтому для её охлаждения внутри предохранителя засыпан песок.

Но чаще для защиты эл.проводки используются не предохранители, а автоматические выключатели (автоматы). Автоматы имеют две функции защиты. Одна срабатывает, когда в сеть включают слишком много электроприборов и ток превышает допустимый предел. Это биметаллическая пластина, изготовленная из двух слоёв разных металлов, которые при нагревании расширяются не одинаково, один больше, другой меньше. Через эту пластину проходит весь рабочий ток, и когда он превышает предел, то она нагревается, выгибается (из-за неоднородности) и размыкает контакты. Автомат обычно не сразу удаётся включить обратно, потому что пластина ещё не остыла.

(Такие пластины широко применяются и в термо-датчиках защищающих многие бытовые приборы от перегрева и перегорания. Разница лишь в том, что пластину нагревает не проходящий через неё запредельный ток, а непосредственно сам нагревательный элемент прибора, к которому датчик плотно привинчен. В приборах с желаемой температурой (утюги, обогреватели, стиральные машины, водонагреватели) предел отключения устанавливается ручкой термо-регулятора, внутри которого тоже есть биметаллическая пластина. Она, то размыкает, то замыкает контакты поддерживая заданную температуру. Как если, не меняя силу огня конфорки, то ставить на него чайник, то снимать.)

Ещё внутри автомата есть катушка из толстого медного провода, через которую тоже проходит весь рабочий ток. При коротком замыкании сила магнитного поля катушки достигает мощности, которая сжимает пружину и втягивает подвижный стальной стержень (сердечник) установленный внутри неё, а он мгновенно выключает автомат. В рабочем режиме силы катушки недостаточно, чтобы сжать пружину сердечника. Таким образом автоматы обеспечивают защиту от короткого замыкания (КЗ), и от длительной перегрузки.

РАЗНОВИДНОСТЬ ПРОВОДОВ

Провода электропроводки бывают алюминиевыми или медными. От их толщины (сечения в квадратных миллиметрах) зависит максимально допустимый ток. Например, 1 квадратный миллиметр меди выдерживает 10 Ампер. Типовые стандарты сечения проводов: 1,5; 2,5; 4 "квадрата" - соответственно: 15; 25; 40 Ампер - их допустимые длительные токовые нагрузки. Алюминиевые провода выдерживают ток меньше приблизительно в полтора раза. Основная масса проводов имеет виниловую изоляцию, которая плавится при перегревании провода. В кабелях используется изоляция из более тугоплавкой резины. А бывают провода с фторопластовой (тефлоновой) изоляцией, которая не плавится даже в огне. Такие провода могут выдерживать бОльшие токовые нагрузки, чем провода имеющие ПВХ изоляцию. Провода для высокого напряжения имеют толстую изоляцию, например на автомобилях в системе зажигания.

СВОЙСТВА ТОКА

Для электрического тока необходима замкнутая цепь. По аналогии с велосипедной, где ведущая звезда с педалями соответствует источнику эл. энергии (генератору или трансформатору), звезда на заднем колесе - электроприбор, который мы включаем в сеть (обогреватель, чайник, пылесос, телевизор и т.п.). Верхний отрезок цепи, который передаёт усилие с ведущей на заднюю звезду аналогичен потенциалу с напряжением - фазе, а нижний отрезок, который пассивно возвращается - нулевому потенциалу - нулю. Поэтому в розетке два отверстия (ФАЗА и НОЛЬ), как в системе водяного отопления - приходящая труба, по которой поступает кипяток, и обратка - по ней уходит вода отдавшая тепло в батареях (радиаторах).

Токи бывают двух видов - постоянный и переменный. Естественный постоянный ток, который течёт в одном направлении (подобно воде в отопительной системе или велосипедной цепи) производят только химические источники энергии (батарейки и аккумуляторы). Для более мощных потребителей (например, трамваев и троллейбусов) его "выпрямляют" из переменного тока посредством полупроводниковых диодных "мостов", которые можно сравнить с защёлкой дверного замка - в одну сторону пропускают, в другую - запираются. Но такой ток получается неровным, а пульсирующим, как пулемётная очередь или отбойный молоток. Для сглаживания импульсов ставятся конденсаторы (ёмкость). Их принцип можно сравнить с большой полной бочкой, в которую льётся "рваная" и прерывистая струя, а из её крана снизу вода вытекает стабильно и ровно, и чем больше объём бочки - тем качественнее струя. Ёмкость конденсаторов измеряется в ФАРАДах.

Во всех бытовых сетях (квартирах, домах, офисных зданиях и на производстве) ток переменный, его легче вырабатывать на электростанциях и трансформировать (понижать или повышать). А большинство эл. двигателей могут работать только на нём. Он течёт туда-обратно, как если набрать в рот воды, вставить длинную трубочку (соломинку), другой её конец погрузить в полное ведро, и попеременно, то выдувать, то втягивать воду. Тогда рот будет аналогичен потенциалу с напряжением - фазе, а полное ведро - нулём, который сам по себе не активен и не опасен, но без него невозможно движение жидкости (тока) в трубке (проводе). Или, как при распиливании бревна ножовкой, где рука будет фазой, амплитуда движения - напряжением (В), усилие руки - током (А), энергичность - частотой (Гц), а само бревно - эл. прибором (обогревателем или эл. двигателем), только вместо распиливания - полезная работа. Половой акт тоже подходит для образного сравнения, мужчина - "фаза", женщина - НОЛЬ!, амплитуда (длина) - напряжение, толщина - ток, скорость - частота.

Количество колебаний всегда неизменно, и всегда такое, какое производится на электростанции и подаётся в сеть. В Российских сетях число колебаний - 50 раз в секунду, и называется частотой переменного тока (от слова чАсто, а не чИсто). Единица измерения частоты - ГЕРЦы (Гц), то есть в наших розетках всегда 50 Гц. В некоторых странах частота в сетях 100 Герц. От частоты зависит скорость вращения большинства эл. двигателей. На 50-ти Герцах максимальное число оборотов - 3000 об/мин. - на трёх-фазном питании и 1500 об/мин. - на однофазном (бытовом). Переменный ток также необходим для работы трансформаторов, которые понижают высокое напряжение (10 000 Вольт) до обычного бытового или промышленного (220/380 Вольт) на электро-подстанциях. А также для малых трансформаторов в электронной аппаратуре, которые понижают 220 Вольт до 50, 36, 24 Вольт и ниже.

ТРАНСФОРМАТОР

Трансформатор состоит из электротехнического железа (набранного из пакета пластин), на котором через изолирующую катушку намотан провод (медная проволока покрытая лаком). Одна обмотка (первичная) выполнена из тонкого провода, но с большим числом витков. Другая (вторичная) намотана через слой изоляции поверх первичной (или на соседней катушке) из толстого провода, но с малым числом витков. На концы первичной обмотки приходит высокое напряжение, и вокруг железа возникает переменное магнитное поле, которое наводит ток во вторичной обмотке. Во сколько раз в ней (вторичной) меньше витков - во столько же будет ниже напряжение, а во сколько раз толще провод - во столько больший ток можно снимать. Как если, бочка с водой будет наполняться тонкой струёй, но с огромным напором, а снизу из большого крана будет вытекать толстая струя, но с умеренным напором. Аналогичным образом трансформаторы могут быть наоборот - повышающими.

НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В нагревательных элементах, в отличии от трансформаторных обмоток, бОльшему напряжению будет соответствовать не количество витков, а длина нихромовой проволоки, из которой сделаны спирали и тэны. Например, если распрямить спираль электрической плитки на 220 Вольт, то длина проволоки будет примерно равна 16-20 метрам. То есть, чтобы намотать спираль на рабочее напряжение 36 Вольт, нужно 220 разделить на 36, получится 6. Значит длина проволоки спирали на 36 Вольт будет в 6 раз короче, примерно 3 метра. Если спираль интенсивно обдувается вентилятором, то она может быть в 2 раза короче, потому что поток воздуха сдувает с неё тепло и не даёт перегореть. А если наоборот закрыта, то длиннее, иначе перегорит от недостатка теплоотдачи. Можно, к примеру, включить два тэна на 220 Вольт одинаковой мощности последовательно в 380 Вольт (между двух фаз). И тогда каждый из них будет под напряжением 380: 2 = 190 Вольт. То есть на 30 Вольт меньше расчётного напряжения. В таком режиме они будут греться немного (на 15%) послабее, зато никогда не перегорят. Так же и с лампочками, например, можно последовательно соединить 10 одинаковых лампочек на 24 Вольта, и включить их гирляндой в сеть 220 Вольт.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Передавать электроэнергию на большие расстояния (от гидро или атомной электростанции до города) целесообразно только под большим напряжением (100 000 Вольт) - так толщину (сечение) проводов на опорах воздушных линий электропередач можно сделать минимальной. Если бы электроэнергию передавали сразу под небольшим напряжением (как в розетках - 220 Вольт), то провода воздушных линий пришлось бы делать толщиной с брёвна, и никаких запасов алюминия на это не хватило бы. К тому же высокое напряжение легче преодолевает сопротивление провода и контактов соединений (у алюминия и меди оно ничтожно, но на длине в десятки километров всё же набегает прилично), подобно несущемуся на бешеной скорости мотоциклисту, который легко перелетает через ямы и овражки.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ И ТРЁХФАЗНОЕ ПИТАНИЕ

Одна из основных потребностей в переменном токе - асинхронные эл. двигатели, широко распространённые из-за своей простоты и надёжности. Их роторы (вращающаяся часть двигателя) не имеют обмотки и коллектора, а представляют собой просто болванки из электротехнического железа, в котором прорези для обмотки залиты алюминием - в таком исполнении нечему ломаться. Вращаются они за счёт переменного магнитного поля создаваемого статором (неподвижной частью эл. двигателя). Для обеспечения правильной работы эл. двигателей такого типа (а их подавляющее большинство) повсеместно преобладает 3-х фазное питание. Фазы, как три сестры-близняшки ничем не отличаются. Между каждой из них и нулём - напряжение 220 Вольт (В), частота каждой 50 Герц (Гц). Отличаются они только сдвигом во времени и "именами" - А,В,С.

Графическое изображение переменного тока одной фазы изображается в виде волнообразной линии, которая виляет змеёй через прямую - разделяющую эти зигзаги пополам на равные части. Верхние волны отображают движение переменного тока в одну, нижние - в другую стороны. Высота вершин (верхних и нижних) соответствует напряжению (220 В), потом график спадает до нуля - прямой линии (протяжённость которой отображает время) и снова достигает вершины (220 В) с нижней стороны. Расстояние между волнами вдоль прямой линии выражает частоту (50 Гц). Три фазы на графике представляют собой три волнообразных линии наложенных друг на друга, но с отставанием, то есть, когда волна одной достигает пика, другая уже идёт на спад, и так поочерёдно - как упавший на пол гимнастический обруч или крышка кастрюли. Этот эффект необходим для создания вращающегося магнитного поля в трёх-фазных асинхронных двигателях, которое и раскручивает их подвижную часть - ротор. Это аналогично велосипедным педалям, на которые ноги подобно фазам давят попеременно, только здесь как бы три педали расположенных относительно друг друга под углом 120 градусов (как эмблема "Мерседеса" или трёх-лопастной пропеллер самолёта).

Три обмотки эл. двигателя (для каждой фазы своя) на схемах изображаются так же, наподобие пропеллера с тремя лопастями, одними концами соединённые в общей точке, другими с фазами. Обмотки трёх-фазных трансформаторов на подстанциях (которые понижают высокое напряжение до бытового) соединёны так же, а НОЛЬ идёт из общей точки соединения обмоток (нейтраль трансформатора). Генераторы вырабатывающие эл. энергию имеют аналогичную схему. В них механическое вращение ротора (посредством гидро или паровой турбины) преобразуется в электроэнергию на электростанциях (а в небольших передвижных генераторах - посредством двигателя внутреннего сгорания). Ротор своим магнитным полем наводит электрический ток в трёх обмотках статора с отставанием в 120 градусов по окружности (как эмблема "Мерседеса"). Получается трёх-фазный переменный ток с разновременной пульсацией, создающей вращающееся магнитное поле. Электродвигатели же наоборот - трёх-фазный ток через магнитное поле превращают в механическое вращение. Провода обмоток не обладают сопротивлением, но ток в обмотках ограничивает магнитное поле создаваемое их витками вокруг железа, наподобие силе тяжести, действующей на едущего в гору велосипедиста и не позволяющей ему разгоняться. Сопротивление магнитного поля ограничивающего ток называется ИНДУКТИВНЫМ.

За счёт отставания фаз друг от друга и достижения ими пикового напряжения в разные мгновения, между ними получается разность потенциалов. Это называется линейным напряжением, и в бытовых сетях составляет 380 Вольт (В). Линейное (межфазное) напряжение всегда больше фазного (между фазой и нулём) в 1,73 раза. Этот коэффициент (1,73) широко применяется в расчётных формулах трёх-фазных систем. Например, ток каждой фазы эл. двигателя = мощность в Ваттах (Вт) разделить на линейное напряжение (380 В) = общий ток во всех трёх обмотках, который ещё делим на коэффициент (1,73), получаем ток на каждой фазе.

Трёх-фазное питание создающее вращательный эффект для эл. двигателей, по причине всеобщего стандарта обеспечивает электроснабжение и на бытовых объектах (жилых, офисных, торговых, учебных зданиях) - там, где эл. двигатели не используется. Как правило, 4-х проводные кабели (3 фазы и ноль) приходят на общие распределительные щитки, а оттуда расходятся парами (1 фаза и ноль) по квартирам, офисам, и др. помещениям. Из-за неравенства токовых нагрузок в разных помещениях часто перегружается общий ноль, который приходит на эл. щиток. Если он перегреется и отгорит, то получается, что, к примеру, соседние квартиры включены последовательно (так как они соединены нулями на общей контактной планке в эл. щитке) между двух фаз (380 Вольт). И если у одного соседа работают мощные эл. приборы (такие, как чайник, обогреватель, стиральная машина, водонагреватель), а у другого мало-мощные (телевизор, компьютер, аудио-техника), то более мощные потребители первого, из-за малого сопротивления, станут хорошим проводником, и в розетках другого соседа вместо нуля появится вторая фаза, и напряжение будет свыше 300 Вольт, которое сразу сожжёт его аппаратуру, в том числе и холодильник. Поэтому желательно регулярно проверять надёжность контакта приходящего из питающего кабеля нуля с общим распределительным эл.щитом. И если он греется, то отключить автоматы всех квартир, зачистить нагар и капитально затянуть контакт общего нуля. При относительно равных нагрузках на разных фазах - бОльшую долю обратных токов (через общую точку соединения нулей потребителей) взаимо-поглотят соседние фазы. В трёх-фазных эл. двигателях токи фаз равны и полностью уходят через соседние фазы, поэтому ноль им вообще не нужен.

Одно-фазные эл. двигатели работают от одной фазы и нуля (например, в бытовых вентиляторах, стиральных машинах, холодильниках, компьютерах). В них, чтобы создать два полюса - обмотка разделена пополам и расположена на двух противоположных катушках с разных сторон ротора. А для создания вращательного момента необходима вторая (пусковая) обмотка, намотанная так же на двух противоположных катушках и своим магнитным полем пересекает поле первой (рабочей) обмотки под 90 градусов. Пусковая обмотка имеет в цепи конденсатор (ёмкость), который сдвигает её импульсы и как бы искусственно эмитирует вторую фазу, благодаря которой и создаётся вращательный момент. Из-за необходимости делить обмотки пополам - скорость вращения асинхронных однофазных эл. двигателей не может быть больше 1500 об/мин. В трёх-фазных эл. двигателях катушки могут быть едиными, располагаясь в статоре через 120 градусов по окружности, тогда максимальная скорость вращения будет 3000 об/мин. А если они разделены пополам каждая, то получится 6 катушек (по две на фазу), тогда скорость будет в 2 раза меньше - 1500 об.мин., а сила вращения в 2 раза больше. Может быть и 9 катушек, и 12, соответственно 1000 и 750 об/мин., с увеличением силы во столько же раз, во сколько меньше число оборотов в минуту. Обмотки однофазных двигателей тоже могут быть раздроблены больше чем пополам с аналогичным уменьшением скорости и увеличением силы. То есть, низко-оборотный двигатель труднее удержать чем-либо за вал ротора, чем высокооборотный.

Есть ещё один распространённый тип эл. двигателей - коллекторные. Их роторы несут на себе обмотку и контактный коллектор, на который через медно-графитовые "щётки" приходит напряжение. Она (обмотка ротора) создаёт своё магнитное поле. В отличии от пассивно раскручиваемой железно-алюминиевой "болванки" асинхронного эл. двигателя, магнитное поле обмотки ротора коллекторного движка активно отталкивается от поля его статора. У таких эл. двигателей другой принцип работы - подобно двум одноимённым полюсам магнита, ротор (вращающаяся часть эл. двигателя) стремится оттолкнуться от статора (неподвижной части). А так как вал ротора прочно зафиксирован двумя подшипниками на концах, то от "безысходности" ротор активно выкручивается. Эффект аналогичен белке в колесе, которая чем быстрее бежит - тем стремительнее раскручивается барабан. Поэтому такие эл. двигатели имеют гораздо бОльшие и регулируемые в широком диапазоне обороты, чем асинхронные. К тому же они, при той же мощности, значительно компактнее и легче, не зависят от частоты (Гц) и работают как на переменном, так и на постоянном токе. Применяются, как правило, в мобильных агрегатах: электровозы поездов, трамваи, троллейбусы, электромобили; а так же во всех переносных эл. приборах: эл.дрели, болгарки, пылесосы, фены... Но значительно уступают в простоте и надёжности асинхронникам, которые применяются в основном на стационарном электрооборудовании.

ОПАСНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Электрический ток может преобразовываться в СВЕТ (посредством прохождения через нить накала, люминесцирующий газ, кристаллы светодиодов), ТЕПЛО (преодолевая сопротивление проволоки из нихрома с неизбежным её нагревом, которая используется во всех нагревательных элементах), МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ (через создаваемое эл. катушками магнитного поля в эл. двигателях и эл. магнитах, которые соответственно вращают и втягивают). Однако, эл. ток таит в себе смертельную опасность для живого организма, через который он может пройти.

Некоторые люди говорят: "Меня било 220 Вольт". Это не верно, потому что ущерб наносит не напряжение, а ток, который проходит через тело. Его величина, при одном и том же напряжении, может в десятки раз отличаться по ряду причин. Огромное значение имеет и путь его прохождения. Чтобы через организм пошёл ток, необходимо быть частью электрической цепи, то есть, стать его проводником, а для этого Вы должны прикоснуться к двум разным потенциалам одновременно (фазе и нулю - 220 В, или двум разноимённым фазам - 380 В). Самые распространённые опасные протекания тока - от одной руки к другой, или от левой руки к ногам, потому что так путь проляжет через сердце, которое может остановиться от силы тока всего в одну десятую Ампера (100 миллиампер). А если, к примеру, коснуться разными пальцами одной руки оголённых контактов розетки - ток пройдёт от пальца к пальцу, а тело не затронет (если конечно ноги стоят на НЕ проводящем полу).

Роль нулевого потенциала (НУЛЯ) может сыграть земля - в буквальном смысле сама поверхность почвы (особенно сырая), либо металлическая или железобетонная конструкция, которая врыта в землю или имеет с ней значительную площадь соприкосновения. Совсем необязательно хвататься обеими руками за разные провода, можно просто стоя босиком или в плохой обуви на сырой земле, бетонном или металлическом полу коснуться любой частью тела оголённого провода. И мгновенно от этой части, через тело к ногам потечёт коварный ток. Даже если пойти по нужде в кусты и струёй ненароком попасть по оголённой фазе, то путь тока проляжет через (солёную и гораздо более проводимую) струю мочи, половую систему и ноги. Если же на ногах сухая обувь на толстой подошве или сам пол деревянный, то НУЛЯ не будет и ток не потечёт даже если Вы зубами вцепитесь в один оголённый ФАЗНЫЙ провод под напряжением (яркое тому подтверждение - птицы сидящие на неизолированных проводах).

Величина тока в значительной степени зависит и от площади прикосновения. Например, можно слегка дотронуться сухими кончиками пальцев до двух фаз (380 В) - ударит, но не смертельно. А можно схватиться за два медных толстых прутка, к которым подведено всего 50 Вольт, обеими мокрыми кистями рук - площадь соприкосновения + сырость обеспечат проводимость в десятки раз большую, нежели в первом случае, и величина тока будет смертельной. (Мне доводилось видеть электрика, у которого пальцы были настолько заскорузлыми, сухими и мозолистыми, что он, как в перчатках, спокойно работал под напряжением.) К тому же, когда человек касается напряжения кончиками пальцев или тыльной стороной ладони, то он рефлекторно отдёргивается. Если же схватиться как за поручни, то напряжение вызывает сокращение мышц кистей и человек вцепляется с силой, на которую никогда не был способен, и его уже никто не сможет оторвать пока не отключат напряжение. А время воздействия (миллисекунды или секунды) электрического тока - тоже весьма значимый фактор.

Например, на электрическом стуле человеку на предварительно выбритую голову одевают (через смоченную специальным, хорошо проводящим раствором тряпичную прокладку) плотно затягивающийся широкий металлический обруч, к которому присоединён один провод - фазный. Второй потенциал подключают к ногам, на которых (на голени около лодыжек) плотно затянуты широкие металлические хомуты (опять же с мокрыми спец-прокладками). За предплечья приговорённый надёжно фиксируется к подлокотникам стула. При включении рубильника, между потенциалами головы и ног появляется напряжение 2000 Вольт! Подразумевается, что при получаемой силе тока и его пути прохождения, потеря сознания происходит мгновенно, а остальное время "дожигания" тела гарантирует гибель всех жизненно-важных органов. Только пожалуй, сама процедура приготовления подвергает несчастного такому запредельному стрессу, что сам электро-удар становится избавлением. Но не пугайтесь - в нашем государстве такой казни пока нет...

И так, опасность удара эл. током зависит от: напряжения, пути протекания тока, сухих или влажных (пот из-за солей имеет хорошую проводимость) частей тела, площади контакта с оголёнными проводниками, изолированности ног от земли (качество и сухость обуви, сырость почвы, материал полов), времени воздействия тока.

Но, чтобы попасть под напряжение не обязательно хвататься за оголённый провод. Может случиться так, что изоляция обмотки электро-агрегата нарушится, и тогда ФАЗА окажется на его корпусе (если он металлический). Например, был в соседнем доме такой случай - мужчина жарким летним днём взобрался на старый железный холодильник, сел на него голыми, потными (и соответственно солёными) ляжками, и принялся сверлить потолок электродрелью, держась второй рукой за её металлическую часть возле патрона... То-ли он попал в арматуру (а она обычно приварена к общему заземляющему контуру здания, что равноценно НУЛЮ) бетонной плиты потолка, то-ли в собственную эл.проводку?? Только свалился замертво, сражённый наповал чудовищным ударом электрического тока. Комиссия обнаружила на корпусе холодильника ФАЗУ (220 вольт), которая появилась на нём из-за нарушения изоляции обмотки статора компрессора. Пока не коснёшься одновременно корпуса (с притаившейся фазой) и нуля или "земли" (например, железной водопроводной трубы) - ничего не произойдёт (на полу ДСП и линолеум). Но, как только "найдётся" второй потенциал (НОЛЬ или другая ФАЗА) - удар неизбежен.

Для предотвращения подобных несчастных случаев делается ЗАЗЕМЛЕНИЕ. То есть, через специальный защитный заземляющий провод (жёлто-зелёного цвета) на металлические корпуса всех эл. приборов присоединяется НУЛЕВОЙ потенциал. Если изоляция нарушится и ФАЗА коснётся корпуса, то мгновенно произойдёт короткое замыкание (КЗ) с нулём, в результате этого автомат разорвёт цепь и фаза не останется незамеченной. Поэтому электротехника перешла на трёх-проводную (фаза - красный или белый, ноль - голубой, земля - жёлто-зелёный провода) проводку в однофазном эл.питании, и пяти-проводную в трёхфазном (фазы - красный, белый, коричневый). В так называемых евро-розетках кроме двух гнёзд добавились ещё и заземляющие контакты (усы) - к ним присоединяется жёлто-зелёный провод, а на евро-вилках кроме двух штырей есть контакты, с которых тоже жёлто-зелёный (третий) провод идёт на корпус электроприбора.

Чтобы не устраивать КЗ, последнее время широко применяются УЗО (устройство защитного отключения). УЗО сравнивает фазный и нулевой токи (сколько вошло и сколько вышло), и когда появляется утечка, то есть, либо нарушилась изоляция, и обмотка двигателя, трансформатора или спираль нагревателя "прошивает" на корпус, либо вообще человек прикоснулся к токо-ведущим частям, то "нулевой" ток будет меньше фазного и УЗО мгновенно отключится. Такой ток называется ДИФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ, то есть сторонним ("левым") и не должен превышать смертельную величину - 100 миллиампер (1 десятую Ампера), а для бытового однофазного питания этот предел обычно 30 mA. Такие устройства обычно ставятся на вводе (последовательно с автоматами) проводки питающей сырые опасные помещения (например ванной комнаты) и защищают от удара эл.током от рук - на "землю" (пол, ванну, трубы, воду). От прикосновения двумя руками за фазу и рабочий ноль (при НЕ проводящем полу) УЗО не сработает.

Заземляющий (жёлто-зелёный провод) приходит от одной точки с нулём (с общей точки соединения трёх обмоток трёх-фазного трансформатора, которая ещё присоединёна к большому металлическому стержню, глубоко врытому в землю - ЗАЗЕМЛЕНИЮ на питающей микрорайон эл.подстанции). Практически, это тот же ноль, но "освобождённый" от работы, просто "охранник". Так что, за отсутствием заземляющего провода в проводке, можно использовать нулевой провод. А именно - в евро-розетке поставить перемычку с нулевого провода на заземляющие "усы", тогда при нарушении изоляции и утечке на корпус сработает автомат и отключит потенциально-опасный прибор.

А можно изготовить заземление самостоятельно - вбить глубоко в землю пару-тройку ломов, пролить очень солёным раствором и присоединить заземляющий провод. Если присоединить его к общему нулю на вводе (до УЗО), то он будет надёжно предохранять от появления в розетках второй ФАЗЫ (описывалось выше) и сгорания бытовой аппаратуры. Если же нет возможности дотянуть его до общего нуля, например в частном доме, то на свой ноль следует поставить автомат, как на фазе, иначе при отгорании общего нуля в распред-щите, ток соседей пойдёт через Ваш ноль на самодельное заземление. А с автоматом поддержка соседям будет оказана только до его предела и Ваш ноль не пострадает.

ПОСЛЕСЛОВИЕ

Ну вот, кажется все основные распространённые нюансы электричества не касающегося профессиональной деятельности я описал. Более глубокие подробности потребуют ещё более длинного текста. Насколько понятно и доходчиво получилось - судить тем, кто вообще далёк и некомпетентен в этой теме (был:-).

Низкий поклон и светлая память великим физикам Европы, увековечившим свои имена в единицах измерения параметров электрического тока: Александро Джузеппе Антонио Анастасио ВОЛЬТА - Италия (1745-1827); Андре Мари АМПЕР - Франция (1775-1836); Георг Симон ОМ - Германия (1787-1854); Джеймс УАТТ - Шотландия (1736-1819); Генрих Рудольф ГЕРЦ - Германия (1857- 1894); Майкл ФАРАДЕЙ - Англия (1791-1867).

СТИХОТВОРЕНИЕ ПРО ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК:

Погоди, не теки, потолкуем чуток.
Ты постой, не спеши, лошадей не гони.
Мы с тобой в этот вечер в квартире одни.

Электрический ток, электрический ток,
Напряженьем похожий на Ближний Восток,
С той поры, как увидел я Братскую ГЭС,
Зародился к тебе у меня интерес.

Электрический ток, электрический ток,
Говорят, ты порою бываешь жесток.
Может жизни лишить твой коварный укус,
Ну и пусть, все равно я тебя не боюсь!

Электрический ток, электрический ток,
Утверждают, что ты - электронов поток,
И болтает к тому же досужий народ,
Что тобой управляют катод и анод.

Я не знаю, что значит «анод» и «катод»,
У меня и без этого много забот,
Но пока ты течешь, электрический ток,
Не иссякнет в кастрюле моей кипяток.

Игорь Иртеньев 1984

Прежде чем приступить к работам, связанным с электричеством, необходимо немного «подковаться» теоретически в этом вопросе. Если говорить просто, то обычно под электричеством подразумевается это движение электронов под действием электромагнитного поля. Главное - понять, что электричество - энергия мельчайших заряженных частиц, которые движутся внутри проводников в определенном направлении.

Постоянный ток практически не меняет своего направления и величины во времени. Допустим, в обычной батарейке постоянный ток. Тогда заряд будет перетекать от минуса к плюсу, не меняясь, пока не иссякнет.

Переменный ток - это ток, который с определенной периодичностью меняет направление движения и величину.

Представьте ток как поток воды, текущий по трубе. Через какой-то промежуток времени (например, 5 с) вода будет устремляться то в одну сторону, то в другую. С током это происходит намного быстрее - 50 раз в секунду (частота 50 Гц). В течение одного периода колебания величина тока повышается до максимума, затем проходит через ноль, а потом происходит обратный процесс, но уже с другим знаком. На вопрос, почему так происходит и зачем нужен такой ток, можно ответить, что получение и передача переменного тока намного проще, чем постоянного.

Получение и передача переменного тока тесно связаны с таким устройством, как трансформатор. Генератор, который вырабатывает переменный ток, по устройству гораздо проще, чем генератор постоянного тока. Кроме того, для передачи энергии на дальнее расстояние переменный ток подходит лучше всего. С его помощью при этом теряется меньше энергии.

При помощи трансформатора (специального устройства в виде катушек) переменный ток преобразуется с низкого напряжения на высокое и наоборот, как это представлено на иллюстрации. Именно по этой причине большинство приборов работает от сети, в которой ток переменный. Однако постоянный ток также применяется достаточно широко - во всех видах батарей, в химической промышленности и некоторых других областях.

Многие слышали такие загадочные слова, как одна фаза, три фазы, ноль, заземление или земля, и знают, что это важные понятия в мире электричества. Однако не все понимают, что они обозначают и какое отношение имеют к окружающей действительности. Тем не менее знать это обязательно. Не углубляясь в технические подробности, которые не нужны домашнему мастеру, можно сказать, что трехфазная сеть - это такой способ передачи электрического тока, когда переменный ток течет по трем проводам, а по одному возвращается назад. Вышесказанное надо немного пояснить. Любая электрическая цепь состоит из двух проводов. По одному ток идет к потребителю (например, к чайнику), а по другому возвращается обратно. Если разомкнуть такую цепь, то ток идти не будет. Вот и все описание однофазной цепи.

Тот провод, по которому ток идет, называется фазовым, или просто фазой, а по которому возвращается - нулевым, или нолем. Трехфазная цепь состоит из трех фазовых проводов и одного обратного. Такое возможно потому, что фаза переменного тока в каждом из трех проводов сдвинута по отношению к соседнему на 120 °C. Более подробно на этот вопрос поможет ответить учебник по электромеханике. Передача переменного тока происходит именно при помощи трехфазных сетей. Это выгодно экономически - не нужны еще два нулевых провода.

Подходя к потребителю, ток разделяется на три фазы, и каждой из них дается по нолю. Так он попадает в квартиры и дома. Хотя иногда трехфазная сеть заводится прямо в дом. Как правило, речь идет о частном секторе, и такое положение дел имеет свои плюсы и минусы. Об этом будет рассказано позднее. Земля, или, правильнее сказать, заземление - третий провод в однофазной сети. В сущности, рабочей нагрузки он не несет, а служит своего рода предохранителем. Это можно объяснить на примере. В случае, когда электричество выходит из-под контроля (например, короткое замыкание), возникает угроза пожара или удара током. Чтобы этого не произошло (то есть значение тока не должно превышать безопасный для человека и приборов уровень), вводится заземление. По этому проводу избыток электричества в буквальном смысле слова уходит в землю.

Еще один пример. Допустим, в работе электродвигателя стиральной машины возникла небольшая поломка и часть электрического тока попадает на внешнюю металлическую оболочку прибора. Если заземления нет, этот заряд так и будет блуждать по стиральной машине. Когда человек прикоснется к ней, он моментально станет самым удобным выходом для данной энергии, то есть получит удар током. При наличии провода заземления в этой ситуации излишний заряд стечет по нему, не причинив никому вреда. В дополнение можно сказать, что но- левой проводник также может быть заземлением и, в принципе, им и является, но только на электростанции. Ситуация, когда в доме нет заземления, небезопасна. Как с ней справиться, не меняя всю проводку в доме, будет рассказано в дальнейшем.

Внимание!

Некоторые умельцы, полагаясь на начальные знания по электротехнике, устанавливают нулевой провод как заземляющий. Никогда так не делайте. При обрыве нулевого провода корпуса заземленных приборов окажутся под напряжением 220 В.

Электричество применяется во многих областях, оно окружает нас практически повсюду. Электроэнергия позволяет получать безопасное освещение дома и на работе, кипятить воду, готовить пищу, работать на компьютере и станках. Вместе с тем, обращаться с электричеством необходимо уметь, иначе можно не только получить травмы, но и нанести вред имуществу. Как правильно прокладывать проводку, организовывать снабжение объектов электричеством, изучает такая наука, как электротехника.

Понятие электричества

Все вещества состоят из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов. У атома есть ядро и движущиеся вокруг него положительно и отрицательно заряженные частицы (протоны и электроны). При нахождении двух материалов рядом друг с другом между ними возникает разность потенциалов (у атомов одного вещества электронов всегда меньше, чем у другого), что приводит к появлению электрического заряда – электроны начинают перемещаться от одного материала к другому. Так возникает электричество. Другими словами, электричество – это энергия, возникающая в результате перемещения отрицательно заряженных частиц из одного вещества в другое.

Скорость перемещения может быть разной. Чтобы движение было в нужном направлении и с нужной скоростью, используются проводники. Если движение электронов по проводнику осуществляется только в одном направлении, такой ток называется постоянным. Если же направление перемещения с определенной частотой меняется, то ток будет переменным. Самым известным и простым источником постоянного тока является батарейка или автомобильный аккумулятор. Переменный ток активно используется в бытовом хозяйстве и в промышленности. На нем работают практически все устройства и оборудование.

Что изучает электротехника

Данная наука знает практически все об электричестве. Изучить ее необходимо всем, кто хочет получить диплом или квалификацию электрика. В большинстве учебных заведений курс, на котором изучают все, что связано с электроэнергией, называется «Теоретические основы электротехники» или, сокращенно ТОЭ.

Данная наука получила развитие в XIX веке, когда был изобретен источник постоянного тока, и появилась возможность строить электрические цепи. Дальнейшее развитие электротехника получила в процессе новых открытий в области физики электромагнитных излучений. Чтобы без проблем осваивать науку в настоящее время, необходимо иметь знания не только в области физики, но также химии и математики.

В первую очередь, на курсе ТОЭ изучаются основы электричества, дается определение тока, исследуются его свойства, характеристики и направления применения. Далее изучаются электромагнитные поля и возможности их практического использования. Завершается курс, как правило, изучением устройств, в которых используется электрическая энергия.

Чтобы разобраться с электричеством, не обязательно поступать в высшее или среднее учебное заведение, достаточно воспользоваться самоучителем или пройти видеоуроки «для чайников». Полученных знаний вполне хватит, чтобы разобраться с проводкой, заменить лампочку или повесить люстру дома. Но, если планируется профессионально работать с электричеством (например, в должности электромонтера или энергетика), то соответствующее образование будет обязательным. Оно позволяет получить специальный допуск на работу с приборами и устройствами, работающими от источника тока.

Основные понятия электротехники

Изучая электричество для начинающих, главное – разобраться с тремя основными терминами:

Сила тока;
Напряжение;
Сопротивление.

Под силой тока понимается количество электрического заряда, протекающего через проводник с определенным сечением за единицу времени. Другими словами, количество электронов, которые переместились из одного конца проводника в другой за некоторое время. Сила тока является самой опасной для жизни и здоровья человека. Если взяться за оголенный провод (а человек – это тоже проводник), то электроны пройдут через него. Чем больше их пройдет, тем больше будут повреждения, поскольку в процессе своего движения они выделяют тепло и запускают различные химические реакции.

Однако чтобы ток шел по проводникам, между одним и другим концом проводника должно быть напряжение или разность потенциалов. Причем она должна быть постоянной, чтобы движение электронов не прекращалось. Для этого электрическую цепь обязательно замыкают, а на одном конце цепи обязательно ставят источник тока, который обеспечивает в цепи постоянное движение электронов.

Сопротивление – это физическая характеристика проводника, его способность к проведению электронов. Чем ниже сопротивление проводника, тем большее количество электронов по нему пройдет за единицу времени, тем выше сила тока. Высокое сопротивление, наоборот, уменьшает силу тока, но влечет за собой нагревание проводника (если напряжение достаточно высоко), что может привести к возгоранию.

Подбор оптимальных соотношений между напряжением, сопротивлением и силой тока в электрической цепи является одной из основных задач электротехники.

Электротехника и электромеханика

Электромеханика является разделом электротехники. Она изучает принципы функционирования устройств и оборудования, которые работают от источника электрического тока. Изучив основы электромеханики, можно научиться ремонтировать различное оборудование или даже проектировать его.

В рамках уроков по электромеханике, как правило, изучаются правила преобразования электрической энергии в механическую (каким образом функционирует электродвигатель, принципы работы любого станка и так далее). Также исследуются и обратные процессы, в частности, принципы действия трансформаторов и генераторов тока.

Таким образом, без понимания того, как составляются электрические цепи, принципов их функционирования и других вопросов, которые изучает электротехника, осваивать электромеханику невозможно. С другой стороны, электромеханика является более сложной дисциплиной и носит прикладной характер, поскольку результаты ее изучения применяются непосредственно при конструировании и ремонте машин, оборудования и различных электрических устройств.

Безопасность и практика

Осваивая курс электротехники для начинающих, необходимо уделить особое внимание вопросам безопасности, поскольку несоблюдение определенных правил может привести к трагическим последствиям.

Первое правило, которому необходимо следовать, – обязательно знакомиться с инструкцией. У всех электроприборов в руководстве по эксплуатации всегда имеется раздел, который посвящен вопросам безопасности.

Второе правило заключается в контроле состояния изоляции проводников. Все провода обязательно должны покрываться специальными материалами, не проводящими электричество (диэлектриками). Если изоляционный слой нарушен, в первую очередь, следует его восстановить, иначе возможно нанесение вреда здоровью. Кроме того, работу в целях безопасности с проводами и электрооборудованием следует производить только в специальной одежде, которая не проводит электричество (резиновые перчатки и диэлектрические боты).

Третье правило состоит в использовании для диагностики параметров электросети только специальных приборов. Ни в коем случае не стоит делать этого голыми руками или пробовать «на язык».

Обратите внимание! Пренебрежение данными элементарными правилами является основной причиной травм и несчастных случаев в работе электриков и электромонтеров.

Чтобы получить начальное представление об электричестве и принципах работы устройств с его применением, рекомендуется пройти специальный курс или изучить пособие «Электротехника для начинающих». Подобные материалы разработаны специально для тех, кто пытается с нуля освоить данную науку и получить необходимые навыки для работы с электрооборудованием в быту.

В пособии и видеоуроках подробно рассказывается, как устроена электрическая цепь, что такое фаза, а что такое ноль, чем отличается сопротивление от напряжения и силы тока и так далее. Отдельное внимание уделяется технике безопасности, чтобы избежать травм при работе с электроприборами.

Конечно, изучение курсов или чтение пособий не позволит стать профессиональным электриком или электромонтером, но решить большинство бытовых вопросов по итогам освоения материала будет вполне по силам. Для профессиональной работы требуется уже получение специального допуска и наличие профильного образования. Без этого выполнять должностные обязанности запрещается различными инструкциями. Если же предприятие допустит человека без необходимого образования к работе с электрооборудованием, и он получит травму, руководитель понесет серьезное наказание, вплоть до уголовного.

Видео

Предлагаем небольшой материал по теме: «Электричество для начинающих». Он даст первоначальное представление о терминах и явлениях, связанных с движением электронов в металлах.

Особенности термина

Электричество представляет собой энергию маленьких заряженных частиц, движущихся в проводниках в определенном направлении.

При постоянном токе не наблюдается изменения его величины, а также направления движения за определенный промежуток времени. Если в качестве источника тока выбирается гальванический элемент (батарейка), в таком случае заряд движется упорядоченно: от отрицательного полюса к положительному концу. Процесс продолжается до тех пор, пока он полностью не исчезнет.

Переменный ток периодически изменяет величину, а также направление движения.

Схема передачи переменного тока

Попробуем понять, что такое фаза в слово слышали все, но далеко не всем понятен его истинный смысл. Не будем углубляться в детали и подробности, выберем только тот материал, который необходим домашнему мастеру. Трехфазная сеть является способом передачи электрического тока, при котором по трем разным проводам протекает ток, а по одному идет его возврат. Например, в электрической цепи есть два провода.

По первому проводу к потребителю, например, к чайнику, идет ток. Второй провод используется для его возвращения. При размыкании такой цепи, прохождения электрического заряда внутри проводника не будет. Данная схема описывает однофазную цепь. в электричестве? Фазой считают провод, по которому протекает электрический ток. Нулевым называют провод, по которому осуществляется возврат. В трехфазной цепи присутствует сразу три фазных провода.

Электрический щиток в квартире необходим для тока по всем помещениям. считают экономически целесообразными, поскольку для них не нужны два При подходе к потребителю, идет разделение тока на три фазы, причем в каждой есть по нолю. Заземлитель, который используется в однофазной сети, не несет рабочей нагрузки. Он является предохранителем.

К примеру, при возникновении короткого замыкания появляется угроза удара током, пожара. Для предотвращения такой ситуации, величина тока не должна превышать безопасный уровень, избыток уходит в землю.

Пособие "Школа для электрика" поможет начинающих мастерам справляться с некоторыми поломками бытовых приборов. Например, если возникли проблемы при функционировании электрического двигателя стиральной машины, ток будет попадать на внешний металлический корпус.

При отсутствии заземления заряд будет распределяться по машине. При прикосновении к ней руками, в роли заземлителя выступит человек, получив удар электрическим током. При наличии провода заземления такой ситуации не возникнет.

Особенности электротехники

Пособие «Электричество для чайников» пользуется популярностью у тех, кто далек от физики, но планирует использовать эту науку в практических целях.

Датой появления электротехники считают начало девятнадцатого века. Именно в это время был создан первый источник тока. Открытия, сделанные в области магнетизма и электричества, сумели обогатить науку новыми понятиями и фактами, обладающими важным практическим значением.

Пособие «Школа для электрика» предполагает знакомство с основными терминами, касающимися электричества.

Во многих сборниках по физике есть сложные электрические схемы, а также разнообразные непонятные термины. Для того чтобы новички могли разобраться во всех тонкостях данного раздела физики, было разработано специальное пособие «Электричество для чайников». Экскурсию в мир электрона необходимо начинать с рассмотрения теоретических законов и понятий. Наглядные примеры, исторические факты, используемые в книге «Электричество для чайников», помогут начинающим электрикам усваивать знания. Для проверки успеваемости можно использовать задания, тесты, упражнения, связанные с электричеством.

Если вы понимаете, что у вас недостаточно теоретических знаний для того, чтобы самостоятельно справиться с подключением электрической проводки, обратитесь к справочникам для «чайников».

Безопасность и практика

Для начала нужно внимательно изучить раздел, касающийся техники безопасности. В таком случае во время работ, связанных с электричеством, не будет возникать чрезвычайных ситуаций, опасных для здоровья.

Для того чтобы на практике реализовать теоретические знания, полученные после самостоятельного изучения основ электротехники, можно начать со старой бытовой техники. До начала ремонта обязательно ознакомьтесь с инструкцией, прилагаемой к прибору. Не забывайте, что с электричеством шутить не нужно.

Электрический ток связан с передвижением электронов в проводниках. Если вещество не способно проводить ток, его называют диэлектриком (изолятором).

Для движения свободных электронов от одного полюса к другому между ними должна существовать определенная разность потенциалов.

Интенсивность тока, проходящего через проводник, связана с количеством электронов, проходящих через поперечное сечение проводника.

На скорость прохождения тока влияет материал, длина, площадь сечения проводника. При увеличении длины провода, увеличивается его сопротивление.

Заключение

Электричество является важным и сложным разделом физики. Пособие "Электричество для чайников" рассматривает основные величины, характеризующие эффективность работы электрических двигателей. Единицами измерения напряжения являются вольты, ток определяется в амперах.

У любого существует определенная мощность. Она подразумевает количество электричества, вырабатываемое прибором за определенный промежуток времени. Потребители энергии (холодильники, стиральные машины, чайники, утюги) также имеют мощность, расходуя электричество во время работы. При желании можно провести математические расчеты, определить примерную плату за каждый бытовой прибор.