kitayteka.ru

Электричество для автомехаников- краткая тория

Содержание
Электрические явления
Потенциал/напряжение
Строение атома
Движение электронов
Свободные электроны и проводники
Электроны и ионный ток
Электрический ток/сопротивление
Производство электричества
Электрический заряд/конденсатор
Гальванический элемент
Магнетизм
Магнетизм и электричество
Переменный ток/постоянный ток
Электромагнетизм и трансформация напряжения и тока
Электродвижущие силы
Электродвигатель
Приводы
Широтно-импульсная модуляция
Датчики
Цифровой/аналоговый сигнал
Последовательное/параллельное/смешанное соединение проводников
Электрическая схема
Измерение напряжения, сопротивления и тока
Закон Ома/Закон Кирхгофа
Электрическая мощность, работа
Ремонт электропроводки

Электрические явления

Каждый из нас ежедневно сталкивается с электричеством. Например, когда становится темно, мы зажигаем свет. Но электричество проявляет себя не только в форме света. В результате электрических явлений происходят химические реакции и выделяется тепло. Электричество способно создавать магнитное поле и оказывать влияние на живые организмы. Если электрический разряд пройдет через тело человека, это может привести к серьезным травмам и даже гибели. Степень тяжести поражения электрическим током зависит от его напряжения, силы и продолжительности воздействия на человека. Нам очень хорошо известны электрические явления. Но знаем ли мы, что такое электричество?
Прежде всего, это разница электрических потенциалов в двух точках.

Потенциал/напряжение

Чтобы ток протекал между двумя точками (полюсами), необходимо иметь разность электрических зарядов или потенциалов. Электроны перемещаются от одного полюса к другому до выравнивания потенциалов. Разницу потенциалов называют напряжением. Напряжение (разность потенциалов) может существовать только между двумя полюсами. Полюс заряжен положительно, если он имеет недостаток электронов. Полюс, имеющий избыток электронов, заряжен отрицательно. Чем выше разница электрических потенциалов, тем больше ток, так как больше электронов участвует в движении. Но электрический ток будет протекать лишь в том случае, если оба полюса соединены проводником. При отсутствии этого соединения разница электрических потенциалов сохраняется, но движения электронов от одного полюса к другому не происходит и ток не протекает. Зачастую электрическое напряжение сравнивают с разностью уровней воды в двух резервуарах. До тех пор пока оба резервуара не соединены, разница уровней воды в них сохраняется. Если их соединить, например, с помощью трубы, вода потечет по трубопроводу и остановится в том момент, когда уровни в резервуарах станут одинаковыми. Чем выше разница уровней, тем быстрее течет вода. Точно так же электрический ток растет с увеличением напряжения.

Строение атома

Все вещества состоят из атомов, поэтому бесконечное деление веществ на все более мелкие части приводит к изменению их физической природы. Мельчайшие частицы вещества образуют молекулы. В результате расщепления молекул появляются атомы, как показано на рисунке. В природе существует целое множество атомов. Из них человечеству пока известно немногим более 100 видов. Молекула — это мельчайшая частица вещества, состоящего из нескольких видов атомов. Если вещество образовано одним видом атомов, его мельчайшую частицу называют элементом. Атом также можно разделить на несколько частей. Для понимания природы электричества необходимо знать, что атом состоит из электронов и ядра, содержащего в себе протоны и нейтроны. Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Нейтрон (переводится как «нейтральный») вообще не имеет электрического заряда. Согласно атомной модели Бора электроны вращаются вокруг ядра из протонов и нейтронов по определенным орбитам. В этом отношении атом можно сравнить с Солнечной системой, в которой планеты вращаются по своим орбитам вокруг Солнца.

Движение электронов

Несмотря на то, что количество протонов, нейтронов и электронов у каждого атома свое, строение всех атомов одинаково. Давайте рассмотрим атом кислорода: он состоит из 8 нейтронов, 8 протонов и 8 электронов. На каждый протон приходится по одному электрону, число же нейтронов у всех атомов разное. Между протонами и электронами действуют силы притяжения. А заряженные частицы одного знака (протон-протон, электрон-электрон) отталкиваются друг от друга. Несмотря на то, что протоны притягивают к себе электроны, последние не «падают» на ядро, а продолжают вращаться вокруг него. То же самое происходит и с планетами: центробежная сила удерживает их на своих орбитах и не дает им упасть на солнце. Так же как планеты, электроны вращаются вокруг ядра не по одной, а по нескольким орбитам. Эти орбиты вращения обозначаются латинскими буквами от K до Q, где К — ближайшая к ядру или внутренняя орбита, Q — самая удаленная от ядра или внешняя орбита. Энергия электрона определяется орбитой его вращения. Орбите К соответствует минимальный уровень энергии, орбите Q — максимальный. Если в атоме число электронов равно числу протонов, он становится электрически нейтральным. По своей физической природе одним атомам сложнее, а другим легче присоединять или отдавать внешние электроны. Если атом теряет электрон, он становится положительным, если присоединяет лишний — отрицательным. Такие атомы называют соответственно положительно и отрицательно заряженными ионами. Существует вероятность, что атом потеряет или присоединит не один, а несколько электронов; в этом случае говорят о дважды или множественно отрицательном или положительном заряде.



Помимо электронов, жестко связанных с ядрами и постоянно вращающихся на внутренних орбитах, имеется некоторое количество внешних электронов, способных свободно перемещаться между атомами в любом направлении. Количество свободных электронов зависит от строения атома и природы материала. В металлах их довольно много, а, например, в резине чрезвычайно мало. Это объясняется разной конструкцией атомных решеток этих материалов. Благодаря своей атомной решетке металл имеет большое количество свободных электронов.

Свободные электроны и проводники

Материал, имеющий большое количество свободных электронов, называют проводником. Если в материале их число мало, его относят к изоляторам. Для возникновения тока в проводнике необходимо воздействие внешней силы, под влиянием которой электроны начнут перемещаться упорядоченно и в определенном направлении. Изоляторами материалы называют потому, что из-за небольшого количества свободных электронов они создают сильное сопротивление движению тока.

Электроны и ионный ток

Электрические заряды могут перемещаться даже в вакууме. В отличие от твердых веществ, в которых электрический ток возникает благодаря движению электронов, в жидкостях и газах носителями электрического заряда служат не электроны, а ионы.

Электрический ток/сопротивление

Если снова проводить аналогию с гидравликой, то станет ясно, что скорость движения воды зависит не только от разницы уровней в резервуарах, но и от длины и диаметра соединяющего трубопровода. Точно так же поток электронов в проводнике большего диаметра будет больше. Чем короче проводник между положительным и отрицательным полюсами, тем большее количество электронов протечет по нему. Движение электронов по проводнику называют током, а процесс, препятствующий току — сопротивлением. Сопротивление зависит не только от размеров проводника, но и от материала, из которого он изготовлен, и его температуры.

Производство электричества

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.

Электрический заряд/конденсатор

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)