Электричество - краткая теория

Сообщение

Производство электричества

: Производство электричества; Screenshot_10.jpg (111.18 КБ) 2519 просмотров

Имеющиеся знания о природе и движении электрического тока позволяют разобраться в методах его получения. Получить разницу потенциалов можно с помощью магнитной индукции, химической реакции, нагрева, освещения, давления или трения. Не для всякого материала можно использовать все эти методы. Например, для генерирования напряжения давлением необходим пьезоэлемент. А производство электричества с помощью химических реакций невозможно без гальванического элемента.

Сообщение

Электрический заряд/конденсатор

: Электрический заряд/конденсатор; Screenshot_11.jpg (128.03 КБ) 2518 просмотров

Как мы уже знаем, электрический ток может протекать от положительного полюса к отрицательному, только когда они соединены проводником. Исключением из этого правила является постоянный ток, протекающий некоторое время в цепи с конденсатором. Конденсатор состоит из двух пластин или обкладок, изолированных друг от друга диэлектриком. Если к конденсатору напряжение не подводится, он находится в разряженном состоянии. Это означает, что на его пластинах нет заряда и количество электронов на них одинаковое. Когда конденсатор подключается к источнику напряжения, одна обкладка подсоединяется к положительному полюсу источника, а другая — к отрицательному. Положительный полюс источника напряжения оттягивает электроны с одной обкладки, а отрицательный полюс передает такое же количество электронов на другую обкладку конденсатора. Это продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не станет равным напряжению источника питания. В этот момент постоянный ток прекращает течь и для электрической цепи конденсатор становится изолятором, то есть обрывает ее. Если теперь отключить от конденсатора источник напряжения и подсоединить к нему резистор, конденсатор начнет разряжаться, а ток будет течь до тех пор, пока разница зарядов на его обкладках не исчезнет. Таким образом, конденсатор — это устройство для хранения электрической энергии. Способность конденсатора запасать электроэнергию определяется его емкостью. Разные конденсаторы могут быть разной формы, но принцип работы у них одинаков. Наиболее распространены бумажные конденсаторы, в которых две ленты пропитанной оловом фольги отделены друг от друга бумагой. Бумажная и металлические ленты скручиваются вместе и затем помещаются в корпус. Существуют также электролитические и керамические конденсаторы, принцип работы которых аналогичен. Важно знать, что электролитический конденсатор обладает полярностью, которую необходимо соблюдать при подключении, иначе его легко повредить.

С помощью конденсатора можно накапливать электрический заряд. Конденсатор имеет две обкладки, одна из них соединена с положительным полюсом, а другая — с отрицательным. Обе обкладки отделены друг от друга слоем изолирующего материала. При подсоединении обкладок конденсатора к полюсам источника напряжения происходит зарядка конденсатора. Значение накопленного заряда зависит от размера обкладок, материала и толщины слоя изоляционного материала или диэлектрика. До тех пор пока происходит процесс накопления заряда на поверхности обкладок, ток в цепи будет протекать. Фактически, конденсатор представляет собой пассивное электронное устройство, запасающее энергию в форме электростатического поля. Простейший конденсатор — это две проводящие пластины, разделенные диэлектриком. Его емкость прямо пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Она также зависит от коэффициента диэлектрической проницаемости материала, разделяющего пластины. Стандартная единица емкости — Фарад: Ф
микрофарад: мкФ (1 мкФ = 10-6 Ф)
нанофарад: нФ (1 нФ = 10-9 Ф)
пикофарад: пФ (1 пФ = 10-12 Ф)

Сообщение

Гальванический элемент

: Гальванический элемент; Screenshot_12.jpg (127.95 КБ) 2528 просмотров

Контактная разность потенциалов между проводниками возникает при соприкосновении разнородных металлов. Напряжение в зоне контакта тем больше, чем дальше металлы отстают друг от друга в ряду электрохимических потенциалов. Здесь приведены значения этих потенциалов. Следует обратить внимание на то, что ток в зоне контакта возникает в результате осаждения одного контактирующего металла на поверхности другого. Аналогичный ток появляется между двумя проводниками из разнородных металлов, помещенных в электролит. Электролиты представляют собой химические вещества (соли и кислоты), растворы или расплавы которых проводят электрический ток. Электролитическая проводимость сопровождается переходом ионов металла в раствор с поверхности электродов. Такой переход называется электролизом, а сами электроды именуются анодом (положительный полюс) и катодом (отрицательный полюс). При растворении металла электродов образуются ионы, способные свободно перемещаться. При замыкании цепи катионы начинают двигаться к катоду, а анионы к аноду. В результате происходит процесс восстановления ионов металла на электродах.
Если два разнородных металла поместить в электролит, получим так называемый гальванический элемент. Между двумя электродами появится постоянное напряжение. На этом построен принцип работы всех батареек. Батарейки превращают химическую энергию в электрическую. Они представляют собой два разнородных материала, помещенных в один или два электролита, разделенных перегородкой. Напряжение батарейки зависит от того, из каких металлов выполнены электроды. Стартерная батарея автомобиля также является гальваническим элементом.

Сообщение

Магнетизм

: Магнетизм; Screenshot_13.jpg (193 КБ) 2527 просмотров

Магнетизм или магнитная сила — еще одно явление, связанное с электричеством. Сила, с которой магнитное поле действует на предметы, не оказывая на них прямого механического воздействия, называется магнитной. Хорошо притягиваются в магнитном поле различные ферромагнетики, например, железо, никель и кобальт. Благодаря именно магнитной силе магниты притягиваются друг к другу разноименными полюсами и отталкиваются одноименными. Каждый магнит окружает магнитное поле, достигающее наибольшей силы на его концах. Абсолютно все магниты имеют два полюса — северный и южный. Эти названия обусловлены тем, что если магнит подвесить и отпустить, то его северный полюс всегда будет указывать на Север. Это явление связано с действием магнитного поля Земли. Если разбить магнит на несколько частей, каждая из них также будет иметь северный и южный полюса. Некоторые материалы легко намагничиваются, если их положить рядом с магнитом и несколько раз подвигать. Благодаря этим манипуляциям магнитные поля упорядочиваются и он намагнитится. Материалы, сохраняющие магнитные свойства длительное время, называют постоянными магнитами. Следует иметь в виду, что в результате нагрева постоянные магниты могут разрушиться и потерять свою магнитную силу.

Сообщение

Магнетизм и электричество

: Магнетизм и электричество; Screenshot_14.jpg (171.1 КБ) 2526 просмотров

Закон электромагнитной индукции гласит, что любые изменения магнитного потока, пронизывающего проводник (чаще всего в качестве него выступает замкнутый контур или катушка) вызывают в нем появление электрического напряжения. Это правило работает также в отношении переменного электромагнитного поля, которое появляется в результате изменения напряжения источника тока. Если перемещение замкнутого контура в магнитном поле сопровождается изменением числа магнитный линий, прошедших сквозь него, в контуре возникнет электрическое напряжение. Оно будет существовать до тех пор, пока изменяется магнитный поток. Если изменяется направление силы магнитного потока на противоположное, то меняется на 180 град. и направление электрического тока в проводнике. В результате в проводнике появляется переменный ток. Правило электромагнитной индукции действует не только в отношении магнитного поля, созданного постоянным магнитом, но и в отношении поля, созданного электромагнитом. Вместо того чтобы перемещать электромагнит вперед-назад, его можно просто попеременно включать и отключать. Это также приведет к изменению магнитного потока и возникновению напряжения. В принципе любой проводник с током окружен магнитным полем и поэтому представляет собой электромагнит. Создаваемое им магнитное поле можно легко усилить, скрутив проводник в катушку и поместив внутрь этой катушки металлический сердечник. В электромагните расположение северного и южного полюсов зависит от направления тока. Так же как и в обычном магните, магнитное поле электромагнита достигает максимального значения по его краям.

Примечание: в начальный момент подключения катушки к источнику напряжения сила тока в ней нарастает не сразу, а постепенно благодаря явлению самоиндукции. Ток, протекающий в катушке, создает магнитное поле. Это магнитное поле, в свою очередь, приводит к появлению напряжения, которое направлено противоположно току и препятствует его нарастанию. Аналогичный эффект можно наблюдать в момент отключения источника тока. Изменение магнитного поля приводит к появлению напряжения, направление которого теперь совпадает с направлением тока. В результате величина напряжения зависит от быстроты включения и отключения цепи и зачастую превышает напряжение источника тока. Это напряжение называют импульсным.

Сообщение

Переменный ток/постоянный ток

: Переменный ток/постоянный ток; Screenshot_15.jpg (114.53 КБ) 2526 просмотров

На практике встречаются два типа токов. Это постоянный ток, имеющий одно направление течения, и переменный ток, направление которого меняется с определенной частотой. Сферы применения переменного тока на автомобиле очень ограничены, он производится генератором в результате магнитной индукции, но затем в самом генераторе становится постоянным. Только постоянный ток питает бортовые потребители автомобиля. Существует также ток смешанного типа. Он представляет собой ток с постоянной составляющей в сигнале переменного.

Сообщение

Электромагнетизм и трансформация напряжения и тока

: Электромагнетизм и трансформация напряжения и тока; Screenshot_16.jpg (163.73 КБ) 2524 просмотра

Движение электрических зарядов приводит к появлению магнитного поля. Проводники с током также создают магнитное поле. Если расположить два проводника параллельно друг другу и пустить через них ток в одном и том же направлении, проводники будут притягиваться друг к другу. В случае если ток будет иметь разное направление, проводники станут отталкиваться друг от друга. В принципе любой проводник с током образует магнитное поле. Действие магнитного поля можно усилить, поместив в катушку стальной сердечник. В результате получился электромагнит, расположение полюсов которого зависит от направления тока в нем. Как и в обычном магните, магнитное поле катушки усиливается при приближении к ее краям. Как было выяснено ранее, перемещение магнита или изменение магнитного поля, пронизывающего катушку, вызывает появление в ней электрического тока. Подобное явление носит обратимый характер: если ток протекает через катушку, это приводит к появлению переменного магнитного поля. На основе этих двух явлений построен трансформатор. Трансформатор — это устройство, которое осуществляет превращение энергии из одного вида в другой с помощью явления электромагнитной индукции. Чаще всего трансформаторы используют для преобразования напряжения. Это делается за счет разницы числа витков в его обмотках. Простейший трансформатор состоит из двух электрических проводников, которые называются первичной и вторичной обмотками. Если переменное напряжение подводится к первичной обмотке, в ней возникает электрический ток, который создает переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, пересекая вторичную обмотку, вызывает в ней появление напряжения. В идеальном трансформаторе магнитный поток вторичной обмотки равен потоку в первичной. При этом отношение напряжений равно отношению числа витков в его обмотках, или иначе говоря, первичное и вторичное напряжения в расчете на один виток обмотки равны между собой.

Если пренебречь потерями, возникающими при передаче энергии через трансформатор, можно считать, что ток, протекающий во вторичной обмотке, обратно пропорционален отношению вторичного напряжения к первичному. Пусть к трансформатору с соотношением количества витков 25:2 подключена резистивная нагрузка мощностью 50 Вт. Тогда величина тока для первичной обмотки составит:
P = E·I (Мощность = ЭДС  сила тока) 50 Вт = 2 В  25 А.
Теперь учитывая трансформацию напряжения, получим значение тока для вторичной обмотки: 50 Вт = 25 В  2 А. По этой причине в трансформаторе обмотка высокого напряжения обычно имеет много витков и выполнена из провода малого сечения, а обмотка низкого напряжения имеет малое количество витков и сделана из толстого провода. Так как источник постоянного напряжения не создает переменного магнитного потока, дополнительного напряжения не возникает и электрический ток в трансформаторе может достичь очень высоких значений. На практике для ограничения тока через обмотку трансформатора, последовательно с ней подключают сопротивление. Это защищает трансформатор от перегрева и выхода из строя.
Трансформация напряжения находит практическое применение в высоковольтных катушках зажигания.

Сообщение

Электродвижущие силы

: Электродвижущие силы; Screenshot_17.jpg (178.23 КБ) 2523 просмотра

В магнитном поле возникает сила, которая действует на проводник с током. Направление этой силы определяется правилом правой руки: если большой палец указывает на направление тока, а указательный — на направление вектора магнитного поля, тогда средний палец покажет направление действия этой силы. Это означает, что проводник в магнитном поле будет перемещаться в направлении, которое зависит от вектора силовых линий магнитного поля и тока в проводнике. В примере проводник станет перемещаться в обе стороны, так как по нему проходит переменный ток. Если магнитное поле и проводник с током ориентированы определенным образом относительно друг друга, можно получить непрерывное вращение этого проводника в силовом поле.