Электрический ток, откуда он берется и как добирается до наших домов?
Дороги и тропинки эти отнюдь не просты, порой извилисты и многократно меняют направление, но знать, как они выглядят – обязанность каждого культурного человека XXI века.
Века, облик которого во многом определяет покорившаяся нам электроэнергия, которую мы научились преобразовывать так, чтобы были удовлетворены все наши потребности – как в промышленности, так и в частном пользовании. Ток в проводах линий электропередач и ток в батарейках наших гаджетов – очень разные токи, но они остаются все тем же электричеством.
Какие усилия приходится прилагать электроэнергетикам, инженерам, чтобы обеспечить мощнейшие токи сталеплавильных заводов и маленькие, крошечные токи, допустим, наручных часов? Сколько работы приходится проделывать всем тем, кто поддерживает систему преобразований, передачи и распределения электроэнергии, какими такими методами обеспечена стабильность этой системы? Чем «Системный Оператор» отличается от «Федеральной Сетевой Компании», почему обе этих компании были, есть и будут в России не частными а государственными?
Вопросов очень много, ответы на них надо знать, чтобы более менее представлять, зачем нам так много энергетиков и чем же они, грубо говоря, занимаются? Мы ведь настолько привыкли, что с электричеством в домах и в городах все в полном порядке, что про электроинженеров вспоминаем только тогда, когда что-то вдруг перестает работать, когда мы выпадаем из зоны привычного уровня комфорта. Темно и холодно – вот только тогда мы с вами и говорим об энергетиках, причем говорим такие слова, которые мы печатать точно не будем.
Мы уверены, что нам откровенно повезло – взяться за эту не простую, нужную, да еще и огромную тему согласился настоящий профессионал. Просим любить и жаловать – Дмитрий Таланов, Инженер с большой буквы.
Знаете, есть такая страна – Финляндия, в которой звание инженера настолько значимо, что в свое время ежегодно издавался каталог с перечнем специалистов, его имеющих.
Хотелось бы, чтобы и в России когда-нибудь появилась такая славная традиция, благо в наш электронно-интернетный век завести такой ежегодно обновляемый каталог намного проще.
Статья, которую мы предлагаем вашему вниманию по инженерному коротка, точна и емка. Конечно, обо всем, что написал Дмитрий, можно рассказать намного подробнее, и в свое время наш журнал начал цикл статей о том, как в XIX веке происходило покорение электричества.
Георг Ом, Генрих Герц, Андре-Мари Ампер, Алессандро Вольт, Джеймс Ватт, Фарадей, Якоби, Ленц, Грамм, Фонтен, Лодыгин, Доливо-Добровольский, Тесла, Яблочков, Депрё, Эдисон, Максвелл, Кирхгоф, братья Сименсы и братья Вестингаузы – в истории электричества много славных имен, достойных того, чтобы мы о них помнили. В общем, если кому-то хочется припомнить подробности того, как все начиналось, милости просим, а статья Дмитрия – начало совсем другой истории. Очень надеемся, что она вам понравится, а продолжение статей Дмитрия Таланова мы увидим в самое ближайшее время.
Уважаемого Дмитрия от себя лично – с дебютом, ко всем читателям просьба – не скупитесь на комментарии!
Для чего нам электроэнергия и насколько она помогает нам жить, может узнать каждый, обведя критическим взглядом свое жилище и место работы
Первое, что бросается в глаза, это освещение. И верно, без него даже 8-часовой рабочий день превратился бы в муку. Добираться до работы во многих мегаполисах и так небольшое счастье, а если придется это делать в темноте? А зимой так и в оба конца! Газовые фонари помогут на главных магистралях, но чуть свернул в сторону, и не видно ни зги. Можно легко провалиться в подвал или яму. А за городом на природе, освещаемой только светом звезд?
Источник: http://geoenergetics.ru/2017/10/10/elektricheskij-tok-otkuda-on-beretsya-i-kak-dobiraetsya-do-nashix-domov/
Может ли электричество стать полностью беспроводным?
Провода окружают нас повсюду и используются для передачи информации и энергии. Если в передаче информации беспроводные технологии развиваются семимильными шагами, то с энергией дело обстоит по-другому.
Для распространения энергии на расстояние можно использовать разные способы. Например, перевозку бензина в бензовозе или запуск ядерной боеголовки тоже можно считать передачей энергии, причем беспроводной.
Но составить конкуренцию электроэнергии по удобству и универсальности эти способы, конечно, не могут.
Электричество, как известно, производится на электростанциях: тепловых, атомных, ГЭС и так далее. Энергия, генерируемая электростанциями, идет по проводам к потребителям (населению и промышленности), где расходуется на полезную работу, производство тепла и излучения.
Полезная работа — это, например, работа электродвигателей в компрессоре холодильника или движение троллейбуса. Производством тепла можно считать нагрев воды в чайнике. Количество энергии, потребляемое в единицу времени, принято называть потребляемой мощностью и измерять в ваттах.
Скажем, электрочайник потребляет примерно 2000 Вт (или 2 кВт), а мобильный телефон при зарядке — меньше 10 Вт.
Конечно, на передачу информации тоже тратится энергия. Например, передатчик на вышке сотовой связи потребляет порядка 1 кВт. Но это все-таки гораздо меньше того, что расходуется промышленностью и домохозяйствами.
Есть простая формула (закон Джоуля — Ленца), которую изучают в школе: Р = U⋅ I, где P — потребляемая мощность, U — напряжение между проводами (измеряется в вольтах), а I — сила тока (сколько заряда проходит по проводу за единицу времени, измеряется в амперах).
Как известно, напряжение в розетке — 220 В. Когда мы включаем в нее чайник мощностью 2 кВт, потребляемый им ток, исходя из формулы, равен примерно 10 А. Теперь представим большой город, размером с Санкт-Петербург, в котором живут миллион семей, и каждая из них потребляет в среднем те же 10 А.
Так получается не потому, что люди круглые сутки кипятят чайник, а потому, что, например, холодильник, освещение, компьютер, кондиционер, стиральная машина в среднем тоже постоянно подключены к сети: что-то включается и выключается в течение дня. Тогда для обеспечения электричеством населения миллионного города потребуется мощность, равная 2 ГВт, двум гигаваттам (2 кВт х 1 000 000 = 2 ГВт).
Примерно такой мощностью обладают два энергоблока атомной электростанции. Промышленность и электротранспорт только увеличат это число.
Возникает вопрос: как обеспечить необходимую мощность для потребителей? Без проводов доставить ее не получится.
Действительно, если передавать энергию без проводов, значит, надо передавать электромагнитное излучение, то есть необходимо поставить антенну (или лазер, если использовать оптический или инфракрасный диапазон), которая энергию будет испускать, и какой-то приемник, который будет энергию принимать.
Проблема в том, что любой источник излучения не сможет направить электромагнитную волну строго на приемник из-за дифракции (явления, заключающегося в том, что свет — волна и всегда будет стремиться расходиться в разные стороны, как круги на воде).
Дифракция волн
Волна всегда будет разбегаться в стороны. И если приемник находится за сотни километров от передатчика, то он примет только маленькую часть всей энергии, а вся остальная энергия пролетит мимо.
Поэтому ни на какой разумной частоте эффективная передача энергии без провода на большие расстояния не осуществима. Другая причина, почему такая передача не получится, — взаимодействие энергетического луча с воздухом, пылью и биологическими объектами.
Все живое, что попадет под действие луча мощностью 1 ГВт, мгновенно зажарится или даже испарится.
Значит, мы должны передать в нашем условном городе 2 ГВт электроэнергии с помощью проводов. Что ограничивает ток, который можно пустить по проводу? Разогрев самого провода: тонкий и толстый провода от одинакового тока будут по-разному разогреваться.
К маленькой лампочке изготавливают тонкий медный провод, потому что лампочка потребляет маленький ток, а к электрочайнику — толстый провод, потому что по нему течет большой ток. То, какой ток вы можете пропустить, определяет электрическое сопротивление, то есть в конечном счете толщину провода.
Если попытаться пропустить большой ток через тонкий провод, то провод нагреется или даже сгорит.
У электрочайника, скажем, провод имеет сечение 1,5-2,5 квадратных миллиметра (1 квадратный миллиметр медного провода может нести ток около 10 А). Разумеется, для города, в котором миллион таких чайников, никто не будет изготавливать провод диаметром миллион квадратных миллиметров: так никаких запасов металлов на Земле не хватит.
Для этого люди поступают по-другому: поскольку мощность — это ток, умноженный на напряжение, то для передачи большой мощности можно поднять напряжение, тогда не надо изготавливать совсем уж толстый провод. От электростанции строятся линии электропередачи, напряжение в которых уже не 220 В, а минимум 220 кВ (бывают до 1 МВ).
И провод там не 1,5 квадратных миллиметра, а 300. Он способен нести ток около 500 А. Если умножить 500 А на 220 кВ, мы получим примерно одну двадцатую от того, что будет потреблять наш город.
Есть, конечно, тонкости (например, используется трехфазный ток), но вывод такой, что для питания крупного города придется построить примерно десять высоковольтных линий электропередачи среднего размера. Если посмотреть на крупные города, то так примерно и есть.
Однако нужно понимать, что эти линии электропередачи сделаны из меди или алюминия со сталью, которые в любом случае нагреваются. Соответственно, будут потери энергии, и чем длиннее линия электропередачи, тем больше потери, так как у проводов есть сопротивление. Потери могут доходить до 10-30 %. Получаемое тепло идет на разогрев окружающего пространства. Одним из вариантов исключить потери было бы использование сверхпроводящего кабеля.
Сверхпроводники
Явление сверхпроводимости было открыто больше ста лет назад. Оно проявляется в том, что вещество теряет сопротивление и может переносить ток без потерь. Большинство известных сверхпроводящих материалов становятся такими при температурах, близких к температуре жидкого гелия (-269 °C, или примерно 4 К) или ниже. Но существуют также высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), которым достаточно более доступной температуры жидкого азота — -196 °C, или 77 К.
Однако сверхпроводника, работающего при комнатной температуре, еще нет. Если бы мы его получили, передача тока без потери напряжения стала бы возможной. Это была бы очень большая экономия для человечества. Можно было бы, например, построить много гидроэлектростанций в Сибири и передавать электроэнергию в Москву без потерь.
В конце 1990-х — начале 2000-х годов люди научились не просто синтезировать высокотемпературные сверхпроводники, но и создавать из них провода, которые работают при температуре жидкого азота (-196 °C) и могут, несмотря на малые размеры, нести большой ток — сотни и тысячи ампер.
В чем проблема внедрения этих проводов? Во-первых, как уже было сказано, провод требует жидкого азота. Во-вторых, этот провод дорогой, гораздо дороже меди. Тем не менее пробные линии с такими сверхпроводниками уже существуют — например, в Нью-Йорке или Германии. Работы ведутся во многих странах, и в России в том числе.
Линия из сверхпроводника должна находиться в трубе с двойными стенками (термос-трубе), в которой залит жидкий азот. По мере того как азот испаряется (идеальных термосов не бывает), его приходится доливать. То есть такую линию дорого эксплуатировать: приходится строить рядом маленький завод по производству жидкого азота.
С другой стороны, она хороша тем, что на ней не происходит потерь напряжения. Более того, через современный сверхпроводящий кабель можно пропустить ток в тысячи и даже десятки тысяч ампер, а это значит, что для передачи той же мощности напряжение можно уменьшить.
Обычная линия электропередачи из-за больших напряжений очень большая, и вокруг нее всегда есть полоса отчуждения — пространство, где нельзя строить, поселяться, вести хозяйственную деятельность. В сверхпроводящей линии напряжение меньше, и тогда необходимость в полосе отчуждения пропадет.
Следовательно, эта земля может быть использована, что экономически может быть выгоднее, даже несмотря на затраты на азот.
Поднять температуру сверхпроводников до комнатной пока не удается. Отчасти дело в том, что эти материалы довольно сложные и содержат в себе 4-5 элементов, например YBa2Cu3O7-x или Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+x. У материала есть кристаллическая решетка, в которой разные элементы должны стоять в идеальном порядке. Создать такой материал очень непросто, еще сложнее — понять, какой из элементов нужно заменить и на какой именно, чтобы материал был сверхпроводящим при достаточно высокой температуре.
Производство сверхпроводящих проводов из этих материалов — отдельный и довольно сложный процесс, на освоение которого с момента открытия ВТСП у человечества ушло около двадцати лет.
Дело в том, что в таком проводе на протяжении его многокилометровой длины должна сохраняться кристаллическая ориентация сверхпроводника, то есть определенные атомы должны стоять друг за другом вдоль многокилометровой длины провода. Чтобы этого добиться, приходится делать провод многослойным, при этом толщина самого ВТСП составляет ничтожную часть.
Лидером в производстве такого сверхпроводящего провода в настоящее время является компания Superpower (США), но также производство освоено во многих странах, в том числе и в России.
Беспроводная передача энергии
И все-таки беспроводная передача энергии существует и используется — например, беспроводная зарядка для телефона. На самом деле это не совсем беспроводное устройство: оно представляет собой трансформатор — прибор, в котором энергия передается по магнитопроводу. Такая зарядка работает только в том случае, когда две поверхности — заряжающее и заряжаемое устройства, содержащие внутри элементы из феррита (магнитопроводящего материала), — почти касаются друг друга.
Если вы отнесете заряжаемое, никакая беспроводная зарядка работать не будет, потому что магнитное поле очень быстро убывает с расстоянием. Конечно, зарядку на небольшом расстоянии можно было бы осуществить через антенну или, например, лазер. Но тут, помимо уже упомянутых выше проблем, добавляется то, что существующие на сегодняшний день приемники излучения вроде солнечной батареи обладают довольно низким КПД.
Таким образом, возможности беспроводной передачи энергии очень ограниченны.
Источник: https://www.energovector.com/energoznanie-mojet-li-elektrichestvo-stat-polnostyu-besprovodnym.html
Мини-курс по электробезопасности
Атмосферное электричество (молния) может вызвать взрыв, пожар, поражение людей. Разрушительное действие прямого удара молнии велико, так как сила тока — до 200 кА, напряжение — до 150 МВ.
Опасно и вторичное ее проявление в виде электростатической и электромагнитной индукции (т. е. наведения электрических зарядов на проводниках), заноса высоких потенциалов в помещение по проводам или металлическим коммуникациям.
В разрывах такой электроцепи возможно искрение и воспламенение горючей среды.
Б
Биологическое воздействие электрического тока — связано с раздражением и возбуждением нервных волокон и других органов.
Д
Двухполюсное прикосновение — одновременное прикосновение к двум полюсам электроустановки, находящейся под напряжением.
Двухфазное прикосновение — одновременное прикосновение к двум фазам электроустановки, находящейся под напряжением.
З
Заземление — в физике — устройство для электрического соединения с Землей аппаратов, машин и приборов. Заземление защищает от опасного действия электрического тока; состоит из заземлителя и заземляющего проводника.
Зануление — преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.
Защитное заземление — преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.
Защитное отключение — быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения током.
М
Малое напряжение — номинальное напряжение не более 42 В, применяемое в целях уменьшения опасности поражения электрическим током.
Н
Нулевой защитный проводник — проводник, соединяющий зануляемые части с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока или ее эквивалентом.
П
Поражающий ток. Типы: сила поражающего тока зависит от его рода и частоты, напряжения в сети, сопротивления цепи протекания тока, в том числе и тела человека, от пути тока через тело человека, индивидуальных свойств организма, площади контакта тела с проводником тока.
Характер воздействия переменного тока в зависимости от его силы: а) 1мА — пороговый ощутимый ток; б) 10-15 мА — пороговый неотпускающий ток — наибольший ток самостоятельного освобождения от электродов, захваченных действием мышц, через которые проходит ток (для постоянного тока — 50-80 мА); меньшие токи — отпускающие; в) 51-100мА — пороговый фибрилляционный, так как возможна фибрилляция, приводящая к смерти, паралич дыхания; г) 101-200 мА — фибрилляция, приводящая к смерти; паралич дыхания; д) 201мА и более — сильные ожоги, паралич дыхания. Чем выше напряжение, тем опаснее, так как увеличивается сила тока. Сопротивление человека принято 1000 Ом — это сопротивление верхнего слоя кожи и в меньшей степени — сопротивление внутренних органов. Сопротивление влажной, загрязненной кожи резко снижается. Наиболее уязвимы: тыльная (наружная) часть кисти руки, участок выше кисти, шея, висок, спина, плечо — прикосновение ими смертельно при очень малых силе тока и напряжении. В цикле работы сердца, равном I секунде, имеется фаза расслабления 0,1с, когда оно наиболее уязвимо и может возникнуть фибрилляция; при действии тока менее 0,1с фибрилляция уменьшается; действие тока в течение нескольких секунд может привести к смерти.
С
Статическое электричество — это возникновение, сохранение и релаксация (т.е. ослабление, уменьшение) электрического заряда в диэлектриках, полупроводниках или изолированных проводниках.
Заряды накапливаются на оборудовании и материалах, а разряды могут вызвать пожар, взрыв, нарушение технологических процессов или работы электрических приборов и средств автоматики. Особенно опасны процессы дробления, просеивания, измельчения, транспортирования твердых и жидких веществ конвейерами и по трубам.
При заполнении резервуаров свободно падающей струей горючей жидкости и разбрызгивании капли электризуются, появляется опасность электрического разряда и воспламенения паров; такой способ налива горючих жидкостей не допускается; расстояние от конца трубы до поверхности жидкости не должно превышать 200 мм или струю направляют по стенке.
Разряд происходит, если напряженность электрического поля над поверхностью диэлектрика достигает критической (пробивной) величины (для воздуха З0кВ/см).
Заряд в 15000-20000В может накапливаться на человеке в одежде из синтетики, электронепроводящей обуви, при движении по диэлектрикам, переходить с наэлектризованного оборудования и материалов и воспламенять взрывоопасные смеси воздуха с газами, парами и пылью. Разряды такого потенциала не опасны для человека и ощущаются как укол, толчок или судорога, так как сила тока мала. Но возможны рефлекторные (т. е. произвольные, бессознательные) движения, приводящие к падению с высоты, попаданию в опасную зону машины и др.
Т
Термическое воздействие заключается в нагреве тканей и биологических сред организма, что ведет к перегреву всего организма и, как следствие, нарушению обменных процессов и связанных с ним отклонений.
Ш
Шаговое напряжение — напряжение между двумя точками цепи тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек. Наибольшее напряжение шага будет вблизи заземлителя и особенно, когда человек одной ногой стоит над заземлителем, а другой — на расстоянии шага от него. Если человек находится вне зоны растекания тока (.т.е. более 20 м от заземлителя), то напряжение шага равно нулю.
Много случаев поражения людей при воздействии шагового напряжения объясняется тем, что при воздействии шагового напряжения даже небольшого значения (50 — 80В ) в мышцах ног возникают судороги и человек падает. После падения человека ток проходит через другие участки тела, а также может замкнуть точки с большими потенциалами. Т.е.
вместо расстояния шага равного 80 см, расстояние между двумя точками касания земли может увеличиться до 180 см, отчего вместо 80 В напряжение шага может возрасти до 500 В. Запрещается подходить к упавшему проводу на расстояние менее 4 м в закрытых помещениях и менее 8 м на улице без использования защитных средств от шагового напряжения. Для защиты от шагового напряжения в установках до 1000 В используют диэлектрические галоши, а в установках любого напряжения — диэлектрические боты.
Напряжение шага зависит от: — величины действующего в элустановке напряжения; — условия растекания тока на землю; — величины шага и расположения человека по отношению к точке заземления; — расстояния от точки заземления;
— сопротивления одежды и тела человека в данных условиях и в данный момент.
Источник: https://www.mrsk-cp.ru/for_consumers/electrosafety_rules/for_adults/help_teachers_and_parents/mini_cours_electrical_safety/urok_1.php?print=Y
Фаза тока
У новичков в мире электрики и домовладельцев иногда возникает вопрос: что такое фаза тока в бытовой электропроводке. Связано это с необходимостью починить какой-либо электроприбор.
В возникшей ситуации наиболее приоритетной задачей мастера должно стать соблюдение правил техники безопасности, а не проявление прикладных навыков и умений. Знание элементарных законов функционирования тока и процессов, проходящих внутри бытовых электроприборов не только поможет справиться с большинством неисправностей, возникающих в них, но и сделает этот процесс наиболее безопасным.
Конструкторы и инженеры делают все возможное, чтобы предотвратить несчастный случай при работе с электричеством в быту. Задача потребителя сводится к соблюдению предписанных норм.
Далее мы рассмотрим:
- однофазный ток;
- двухфазный ток;
- трехфазный ток.
Однофазный ток
Переменный ток, который получают при помощи вращения в магнитном потоке проводника или системы проводников, соединенных в одну катушку, называется однофазным переменным током.
Как правило, для передачи однофазного тока используют 2 провода. Называются они фазным и нулевым соответственно. Напряжение между этими проводами составляет 220 В.
Однофазное электропитание. Однофазный ток можно подвести к потребителю двумя различными способами: 2-проводным и 3-проводным. При первом (двухпроводном), для подведения однофазного тока используют два провода. По одному протекает фазный ток, другой предназначен для нулевого провода.
Таким образом электропитание подведено почти во все, построенные в бывшем СССР, дома. При втором способе для подведения однофазного тока — добавляют ещё один провод. Называется такой провод заземлением (РЕ).
Он предназначен для предотвращения поражения человека электрическим током, а так же для отвода токов утечки и предотвращения приборов от поломки.
Двухфазный ток
Двухфазным электрическим током называется совокупность двух однофазных токов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол Pi2 или на 90 °.
Наглядный пример образования двухфазного тока. Возьмем две катушки индуктивности и расположим их в пространстве таким образом, чтобы их оси были взаимно перпендикулярны, после чего запитаем систему катушек двухфазным током, как результат получим в системе два магнитных потока.
Вектор результирующего магнитного поля будет вращаться с постоянной угловой скоростью, как следствие, возникает вращающееся магнитное поле.
Ротор с обмотками, изготовленными в виде короткозамкнутого «беличьего колеса» или представляющий собой металлический цилиндр на валу, будет вращаться, приводя в движение механизмы.
Передают двухфазные токи при помощи двух проводов: двумя фазными и двумя нулевыми.
Трехфазный ток
Трехфазной системой электрических цепей называется система, которая состоит из трех цепей, в которых действуют переменные, ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 1/3 периода(φ=2π/3).
Каждую отдельную цепь такой системы коротко называют ее фазой, а систему трех сдвинутых по фазе переменных токов в таких цепях называют просто трехфазным током. Трехфазный ток легко передаётся на дальние расстояния. Любая пара фазных проводов имеет напряжение 380 В.
Пара — фазный провод и нуль — имеет напряжение 220 В.
Распределение трёхфазного тока по жилым домам выполняется двумя способами: 4-проводным и 5-проводным. Четырёхпроводное подключение выполняется тремя фазными и одним нулевым проводом. После распределительного щита для питания розеток и выключателей используют два провода — одну из фаз и нуль. Напряжение между этими проводами будет составлять 220В.
Пятипроводное подключение трехфазного тока — в схему добавляется защитный, заземляющий провод (РЕ). В трёхфазной сети фазы должны нагружаться максимально равномерно, в противном случае может произойти перекос фаз. От того, какая электропроводка используется в доме, зависит какое электрооборудование можно в неё включать.
К примеру, заземление обязательно, если в сеть включаются приборы с большой мощностью — холодильники, печи, обогреватели, электронные бытовые приборы — компьютеры, телевизоры, устройства, связанные с водой — джакузи, душевые кабины (вода проводник тока).
Трехфазный ток необходим для электропитания двигателей (актуальных для частного дома).
Устройство бытовой электропроводки
Вначале электроэнергия вырабатывается на электростанции. Затем через промышленную электросеть она попадает на трансформаторную подстанцию, где напряжение преобразуется в 380 вольт. Соединение вторичных обмоток понижающего трансформатора выполнено по схеме «звезда»: три контакта подключены к общей точке «0», а три оставшихся присоединены к клеммам «A», «B» и «C» соответственно. Для наглядности приводится картинка.
Объединенные контакты «0» подсоединяются к заземлительному контуру подстанции. Также здесь ноль расщепляется на:
- Рабочий ноль (на картинке изображен синим)
- PE-проводник, выполняющий защитную функцию (линия желто-зеленого цвета)
Нули и фазы тока с выхода понижающего трансформатора подводятся к распределительному щитку жилого дома. Полученная трехфазная система разводится по щиткам в подъездах. В конечном итоге, в квартиру попадает фазовое напряжение 220 В и проводник PE, выполняющий защитную функцию.
Итак, что же такое фаза тока и ноль? Нулем называют проводник тока, присоединенный к заземлительному контуру понижающего трансформатора и служащий для создания нагрузки от фазы тока, подсоединенной к противоположному концу обмотки трансформатора. Кроме того, существует так называемый «защитный ноль» — это PE-контакт, описанный ранее. Он служит для отвода токов при возникновении технической неисправности в цепи.
Этот метод подключения жилых домов к городской электросети отработан десятилетиями, но все же он не идеален. Иногда в вышеописанной системе появляются неисправности. Чаще всего, они связаны с низким качеством соединения на определенном участке цепи или полным обрывом электрического провода.
Что происходит в нуле и фазе при обрыве провода
Обрыв электрического провода часто обусловлен элементарной рассеянностью мастера – забыть присоединить к определенному прибору в доме фазу тока или ноль – проще простого. Кроме того, нередки случаи отгорания нуля на подъездном щитке в связи с высокой нагрузкой на систему.
В случае обрыва соединения любого электроприбора в доме со щитком, этот прибор перестает работать – ведь цепь не замкнута. При этом не имеет значения, какой именно провод разорван – ноль или фаза тока.
Аналогичная ситуация происходит, когда разрыв наблюдается между распределительным щитком многоквартирного дома и щитом конкретного подъезда – все квартиры, подключенные к щиту подъезда, окажутся обесточены.
Вышеописанные ситуации не вызывают серьезных сложностей и не представляют опасности. Они связаны с обрывом лишь одного проводника и не несут в себе угрозы безопасности электроприборов или людей, находящихся в квартире.
Самая опасная ситуация – исчезновение соединения между заземлительным контуром подстанции и средней точкой, к которой подключена нагрузка внутридомового электрощита.
В этом случае электрический ток пойдет по контурам AB, BC, CA, а общее напряжение на этих контурах – 380 В. В связи с этим возникнет очень неприятная и опасная ситуация – на одном электрощитке может вовсе не быть напряжения, так как хозяин квартиры посчитал нужным отключить электроприборы, а на другом возникнет высокое напряжение близкое к 380 вольтам. Это вызовет выход из строя большинства электроприборов, ведь номинальное напряжение работы для них – 240 вольт.
Конечно, такие ситуации можно предотвратить – существуют достаточно дорогостоящие решения для защиты от скачков напряжения. Некоторые производитель встраивают их в свои приборы.
Как определить ноль и фазу собственными силами
Для определения нуля и фазы тока существуют специальные отвертки-тестеры.
Она работает по принципу прохождения тока низкого напряжения через тело человека, использующего ее. Отвертка состоит из следующих частей:
- Наконечник для подключения к фазовому потенциалу розетки;
- Резистор, снижающий амплитуду электротока до безопасных пределов;
- Светодиод, загорающийся при наличии потенциала фазы тока в цепи;
- Плоский контакт для создания цепи сквозь тело оператора.
Принцип работы с отверткой-тестером показан на картинке ниже.
Кроме тестовых отверток, существуют и другие способы определить, к какому контакту розетки подключена фаза тока, а к какому – ноль. Некоторые электрики предпочитают пользоваться более точным тестером, используя его в режиме вольтметра.
Показания стрелки вольтметра означают:
1. Наличие напряжения 220 В между фазой и нулем
2. Отсутствие напряжения между землей и нулем
3. Отсутствие напряжения между фазой и нулем
Вообще-то, в последнем случае стрелка должна показывать 220 В, но в данном конкретном случае центральный контакт розетки не подключен к потенциалу земли.
Источник: https://www.calc.ru/Faza-Toka.html
Магнитное поле и электрический ток
Между электрическим током и магнитным полем существует тесная связь. Давайте рассмотрим ее подробно. Там где течет электрический ток, мы всегда находим и магнитное поле.
Дело в том, что электрический ток в проводнике всегда сопровождается магнитным, а точнее говоря — электромагнитным полем. Существование электрического тока в проводнике обязательно связано с образованием магнитного поля.
Какое это магнитное поле и насколько оно сильное зависит от величины тока и от среды, в которой протекает этот ток?
Если говорить о токе в электролите, например ток в аккумуляторе в виде направленного движения ионов, то никакого столь заметного магнитного поля порождаемого таким током мы не обнаружим, но вокруг того медного проводника, которым мы замкнем клеммы аккумулятора мы сможем наблюдать магнитное поле.
Наглядный пример с простенькой схемой, где имеется химический источник тока B1, а в качестве нагрузки лампа накаливания H1, демонстрирует нам свойства электрического тока в проводнике.
При замыкании электрического ключа (простой выключатель) S1 спираль в лампе H1 раскаляется и начинает излучать свет, а стрелка компаса рядом с проводником с током I начинает отклонятся, что говорит о наличии магнитного поля.
При размыкании ключа S1 электрический ток I прекращается, спираль в лампе накаливания H1 перестаёт нагреваться и светится, а стрелка компаса возвращается в исходное состояние (указывает на полюса Земли).
Вокруг проводника с током I, то есть когда по нему протекает электрический ток, образуется магнитное поле и именно оно заставляет стрелку компаса изменить свою ориентацию. Стрелка компаса при протекании электрического тока I в проводнике (проводе) в одном направлении будет поворачиваться в одну сторону, но если поменять местами провода на клеммах источника B1, то изменится и направление тока I, тогда стрелка компаса будет отклонятся в противоположном направлении.
Используя это физическое явление стало возможным измерять величину электрического тока и его направление. Именно на этом явлении работает такой измерительный прибор как амперметр, который фактически измеряет силу отклонения стрелки при протекании тока через амперметр. Это во много раз усовершенствованная и специализированная конструкция того же компаса, который показывает уже не только направление отклонения, но и величину, силу отклонения.
Как выглядят силовые линии магнитного поля порождаемого проводником с током? Для того, чтобы это увидеть достаточно куска картона и железных опилков.
Если проделать отверстие в центре куска картона достаточное чтобы через него прошел провод и продеть его через этот картон, а сам картон закрепить перпендикулярно проводнику, то мы получим плоскость в которой сможем наглядно увидеть силовые линии магнитного поля порождаемые этим проводником с током.
Когда электрическая цепь будет замкнута и по проводу потечет электрический ток, надо сверху понемногу подсыпать железные опилки, которые начнут выстраиваться и тем самым образовывать рисунок силовых линий магнитного поля.
Чем больше величина тока, тем гуще и жирнее будут линии образованные железными опилками, потому как величина напряженности магнитного поля будет больше. Если ток будет очень мал, тогда и линии будут едва заметными. Магнитное поле вокруг одиночного проводника будет располагаться концентрическими кругами постепенно затухая по величине по мере удаления от своего источника (проводника с током).
Конфигурация магнитного поля может быть изменена, если провести манипуляции с проводом, а именно, если сблизить его с другими проводниками с током разных направлений тока (встречное или параллельное), или если провод свернуть в витки.
В таких случаях рисунок силовых линий магнитного поля будет изменён, потому как вектора напряженности в каждой точке пространства от разных источников будут складываться, а значит будет меняться не только их величина, но и направление.
Наглядно увидеть рисунок можно всё также, с помощью картонки и железных опилок.
Каково же будет направление силовых линий магнитного поля? Следует помнить, что когда-то условились в научных кругах считать направление магнитного поля выходящим с «Северного» полюса и заходящим в «Южный» полюс магнита.
При этом «Северный» полюс магнита это та часть стрелки компаса, которая указывает на «Северный» полюс Земли, а «Южный» полюс — это противоположный «Северному». В итоге обозначение полюсов это удобная условность как и направление магнитных силовых линий.
Это направление нужно учитывать при сложении линий магнитного поля при получении результирующего магнитного поля.
Если при протекании тока в одном направлении имеем одно направление магнитных силовых линий, то при смене полярности питания изменится и направление тока на противоположное, а как результат и направление магнитного поля также изменится на противоположное. Если мы имеем дело с электромагнитом постоянного тока, то при смене полярности питания такого электромагнита, полюса электромагнита поменяются местами.
Правило буравчика
Если мысленно представить, что мы вкручиваем буравчик (штопор) по направлению электрического тока в проводе в этот самый провод, тогда направление рукоятки буравчика покажет нам направление силовых линий магнитного поля.
При этом буравчик должен быть самым обычным с правой резьбой.
Если же мы имеем дело с электромагнитом какой либо формы, то гораздо проще определится с полюсами и используя то, что силовые линии выходят из «Северного» полюса магнитного поля и заходят в «Южный» полюс — можно определить направление силовых линий.
Правило правой руки
Правило правой руки говорит, что «Северный» полюс магнитной стрелки, расположенный под проводом, отклонится в сторону большого пальца правой руки, помещенной над проводом, ладонью к последнему и так, что остальные пальцы руки направлены по направлению течения тока. «Северный» полюс показывает в том числе направление силовых линий.
Дата: 23.09.2018
Валентин Григорьев
Источник: http://electricity-automation.com/page/magnitnoye-pole-i-elektricheskiy-tok
IT News
Дата Категория: Физика
Электрический ток может приводит в действие машины только тогда, когда он циркулирует в цепи. Электрическая цепь — это канал, по которому течет электричество. Начинается цепь в источнике питания (например, в батарейке), к которому соединительным проводом подключен потребитель, например, лампа накаливания.
Цепь не оканчивается на потребителе, а возвращается по кольцу снова к источнику питания. Сила, поддерживающая течение электрического тока в цепи, называется электродвижущей силой, или напряжением. Так как потребители ослабляют ток в цепи, они называются сопротивлениями.
Понимание взаимосвязи между электрическим током, напряжением и сопротивлением может быть облегчено путем проведения аналогии между электрическим током и водой, текущей по каналу (рисунок вверху). Батарейка может быть представлена в виде водяного насоса, а электрический ток — в виде определенного объема воды. Аналогами двух электрических сопротивлений (двух ламп накаливания) являются два водослива в канале.
В такой модели каждый раз, когда вода (электрический ток) встречает водослив (сопротивление), она падает на более низкий уровень (меньшее напряжение). Объем воды остается неизменным, однако ее уровень (энергия) уменьшается. То же самое происходит с электрическим током. Когда электрический ток проходит через сопротивление, его энергия отводится в окружающую среду, а напряжение уменьшается.
Вычисление падения напряжения
Когда электрический ток проходит через сопротивление, например, через лампу накаливания, силовое воздействие на заряды (напряжение) уменьшается. Это уменьшение называется падением напряжения. Изменение напряжения может быть определено численно, путем умножения величины сопротивления на силу тока.
Электрический ток и поток электронов
Электроны (синие шарики) текут по направлению к положительному полюсу источника тока, т.е. навстречу электрическому току, который движется от положительного полюса к отрицательному (большая голубая стрелка). Сила тока зависит от того, сколько электронов пройдет через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Электрический ток в параллельной цепи
В параллельной цепи электрический ток (синие стрелки), прежде чем вернуться к своему источнику (красная батарейка), разделяется на две отдельные ветви.
Вид цепи и напряжение
Последовательная цепь содержит два сопротивления (R), которые поочередно снижают напряжение (V). Падение напряжения определяется суммой сопротивлений.
В параллельной цепи электрический ток проходит по различным путям. Такое расположение сопротивлений (R) вызывает одновременное падение напряжения.
Источник: http://information-technology.ru/sci-pop-articles/23-physics/229-kakim-obrazom-techet-elektrichestvo
Формула силы тока
Определение
Электрическим током называют упорядоченное движение носителей зарядов. В металлах таковыми являются электроны, отрицательно заряженные частицы с зарядом, равным элементарному заряду. Направлением тока считают направление движения положительно заряженных частиц.
Силой тока (током) через некоторую поверхность S называют скалярную физическую величину, которую обозначают I, равную:
где q – заряд, проходящий сквозь поверхность S, t – время прохождения заряда. Выражение (1) определяет величину силы тока вмомент времени t (мгновенное значение величины силы тока).
Некоторые виды силы тока
Ток носит название постоянного, если его сила и направление с течением времени не изменяются, тогда:
Формула (2) показывает, что сила постоянного тока равна заряду, который проходит сквозь поверхность S в единицу времени.
Если ток является переменным, то выделяют мгновенную силу тока (1), амплитудную силу тока и эффективную силу тока.Эффективной величиной силы переменного тока (Ieff) называют такую силу постоянного тока, которая выполнит работу равнуюработе переменного тока в течение одного периода (T):
Если переменный ток можно представить как синусоидальный:
то Im – амплитуда силы тока ( – частота силы переменного тока).
Плотность тока
Распределение электрического тока по сечению проводника характеризуют при помощи вектора плотности тока(). При этом:
где – угол между векторами и ( – нормаль к элементу поверхности dS),jn – проекция вектора плотности тока на направление нормали ().
Сила тока в проводнике определяется при помощи формулы:
где интегрирование в выражении (6) проводится по всему поперечному сечению проводника S
Для постоянного тока имеем:
Если рассматривать два проводника с сечениями S1 и S2 и постоянными токами, то выполняется соотношение:
Сила тока в соединениях проводников
При последовательном соединении проводников сила тока в каждом из них одинакова:
При параллельном соединении проводников сила тока (I) вычисляется как сумма токов в каждом проводнике (Ii):
Закон Ома
Сила тока входит в один из основных законов постоянного тока – закон Ома (для участка цепи):
где — – разность потенциалов на концах, рассматриваемого участка, — ЭДС источника, который входит в участок цепи, R – сопротивление участка цепи.
Единицы измерения силы тока
Основной единицей измерения силы тока в системе СИ является: [I]=A(ампер)=Кл/с
Примеры решения задач
Пример
Задание. Какой заряд (q) проходит через поперечное сечение проводника за промежуток времени от t1=2c до t2=6c, если сила тока изменяется в соответствии с уравнением: I=2+t, где сила тока в амперах, время в секундах?
Решение. За основу решения задачи примем определение мгновенной силы тока:
В таком случае, заряд, который проходит через поперечное сечение проводника, равен:
Подставим в выражение (1.2) уравнение для силы тока из условий задачи, примем во внимания границы изменения участка времени:
(Кл)
Ответ. q=24 Кл
Пример
Задание. Плоский конденсатор составлен из двух квадратных пластин со стороной A, находящихся на расстоянии dдруг от друга. Этот конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения U. Конденсатор погружают в сосуд с керосином (пластины конденсатора вертикальны) со скоростью v=const. Какова сила тока, которая будет течь по подводящим проводам в описанном выше процессе. Считать, что диэлектрическая проницаемость керосина равна .
Решение. Основой для решения задачи станет формул для вычисления силы тока вида:
При погружении в керосин на глубину xописанной выше системы мы получаем два конденсатора, соединенных параллельно (над керосином и в керосине)рис. 2. Для такой системы конденсаторов напряжение на каждом из них одинаково, поэтому уравнение для изменения заряда при движенииудобно искать в виде:
Емкость при параллельном соединении конденсаторов равна:
Формула для расчета емкостей C1 и C2 плоских конденсаторов имеет вид:
где 0 – электрическая постоянная, переменной величиной при погружениисистемы в керосин является площадь обкладок S:
Из выражений (2.4), (2.5) и условий задачи имеем:
Тогда подставив dC в формулу для силы тока (2.1) получаем:
Ответ.
Читать дальше: Формула силы.
Вы поняли, как решать? Нет?
Источник: https://www.webmath.ru/poleznoe/formules_21_18_sila_toka.php
