Электричество

Электрика для чайников

Электроника окружает человека в виде различных устройств и приборов. Современная бытовая техника в большинстве своём управляется с помощью электронных схем. Курсы обучения основам электроники для начинающих нацелены на то, чтобы новичок мог отличать транзистор от резистора и понимать, как и для чего служит та или иная электронная схема.

Учебник по электронике для новичков

Учебные пособия и видеокурсы способствуют пониманию принципов построения электронных схем. Что такое печатная плата, как создать схему своими руками – на все эти вопросы отвечают основы электроники для новичков. Усвоив азы электроники, домашний «мастер» сможет определить вышедшую из строя радиодеталь в телевизоре, аудио устройстве и другой бытовой технике и заменить её. Кроме этого, новичок приобретёт опыт работы с паяльником.

Электронная схема усилителя звука

Видеокурсы, печатная продукция несут в себе массу информации по освоению основ электротехники, электромеханики и электроники. Приобрести знания в этих сферах можно, не выходя из дома. Просмотреть нужное видео, заказать учебники позволяет доступность сети интернета.

Электрический ток

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля. В зависимости от среды материи (вещества) частицы могут быть разные: в металлах – электроны, в электролитах – ионы, в полупроводниках – электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость).

Если говорить сильно упрощённо, то вся окружающая нас материя (всё, что мы видим вокруг) состоит из молекул. В свою очередь молекулы состоят из атомов. Сами атомы представляют из себя ядро (протоны и нейтроны) и вращающиеся вокруг него электроны. Для более наглядного понимания электрического тока возьмём обычную батарейку. Внутри неё протекает химическая реакция. В результате этого электроны переходят от одних атомов к другим. Поэтому получается, что атомы одного вещества (клемма «плюс») испытывают недостаток электронов, а атомы другого вещества (клемма «минус») избыток. То есть вещества клемм батарейки имеют разноимённые заряды. Если соединить их (клеммы) между собой проводником с нагрузкой, то электроны будут стремиться перейти из одного вещества в другое (от отрицательной клеммы к положительной). Это перемещение электронов и есть электрический ток. Он будет течь пока заряды веществ не уровняются.

В качестве проводника для передачи электрического тока сейчас в основном используют медные или алюминиевые провода. Возьмём, например, медную проволоку. В атоме меди вокруг ядра по четырём орбитам вращаются 29 электронов. Электроны, находящиеся на крайних орбитах, испытывают меньшую силу притяжения, чем их собратья, расположенные ближе к ядру. Поскольку атомы меди находятся очень плотно друг к другу, то дальние электроны испытывают силу притяжения не только своего, но и соседнего ядра. Они могут покинуть свой атом и перейти к другому. Такие электроны называют свободными. При подключении к проводнику внешнего электрического поля (например, батарейки) движение свободных электронов становится упорядоченным и направленным от «-» к «+» батарейки. В результате по цепи начинает течь постоянный электрический ток.

При рассмотрении принципа работы различных электронных схем принято использовать направление постоянного тока от плюса к минусу. Этот выбор изначально был сделан не очень корректно, так как в то время о движении свободных электронов ещё не знали. За направление тока условно приняли то направление, по которому могли бы двигаться в проводнике положительные заряды. В последующем этот выбор менять никто не стал.

В любом веществе атомы располагаются на расстоянии друг от друга. В меди, алюминии и других металлах эти расстояния очень малы. Электронные оболочки соседних атомов практически соприкасаются друг с другом. Это даёт возможность электронам переходить от одного атома к другому. Поэтому металлы и ряд других веществ называют «проводниками» электрического тока. Существуют вещества, где атомы располагаются на значительном расстоянии друг от друга. Их электроны не могут преодолеть силу притяжения ядра своего атома, а сила ядра соседнего атома (куда электрон может перейти) очень мала из-за относительно большого расстояния. Даже если к такому веществу подключить электрическое поле, то электрон всё равно останется у своего атома (электрический ток не потечёт). Подобные вещества называют «диэлектриками». Они не пропускают электрический ток.

От теории к точной науке

Проведенные исследования и опыты позволили изучению электричества перейти в категорию точной науки. Первым в череде научных достижений стало открытие закона Кулона.

Закон взаимодействия зарядов

Французский инженер и физик Шарль Огюстен де Кулон в 1785 году открыл закон, который отображал силу взаимодействия между статичными точечными зарядами. Кулон до этого изобрел крутильные весы. Появление закона состоялось благодаря опытам Кулона с этими весами. С их помощью он измерял силу взаимодействия заряженных металлических шариков.

Закон Кулона являлся первым фундаментальным законом, объясняющим электромагнитные явления, с которых началась наука об электромагнетизме. В честь Кулона в 1881 году была названа единица электрического заряда.

Изобретение батареи

В 1791 году итальянский врач, физиолог и физик Луиджи Гальвани написал «Трактат о силах электричества при мышечном движении». В нем он фиксировал наличие электрических импульсов в мышечных тканях животных. А также он обнаружил разность потенциалов при взаимодействии двух видов металла и электролита.

Открытие Луиджи Гальвани получило свое развитие в работе итальянского химика, физика и физиолога Алессандро Вольты. В 1800 году он изобретает «Вольтов столб» — источник непрерывного тока. Он представлял собой стопку серебряных и цинковых пластин, которые были разделены между собой смоченными в соленом растворе бумажными кусочками. «Вольтов столб» стал прототипом гальванических элементов, в которых химическая энергия преобразовывалась в электрическую.

В 1861 году в его честь было введено название «вольт» — единица измерения напряжения.

Гальвани и Вольта являются одними из основоположников учения об электрических явлениях. Изобретение батареи спровоцировало бурное развитие и последующий рост научных открытий. Конец XVIII века и начало XIX века можно характеризовать как время, когда изобрели электричество.

Появление понятия тока

В 1821 году французский математик, физик и естествоиспытатель Андре-Мари Ампер в собственном трактате установил связь магнитных и электрических явлений, которая отсутствует в статичности электричества. Тем самым он впервые ввел понятие «электрический ток».

Ампер сконструировал катушку с множественными витками из медных проводов, которую можно классифицировать как усилитель электромагнитного поля. Это изобретение послужило созданию в 30-х годах 19 века электромагнитного телеграфа.

Благодаря исследованиям Ампера стало возможным рождение электротехники. В 1881 в его честь единица силы тока была названа «ампером», а приборы, измеряющие силу — «амперметрами».

Закон электрической цепи

Физик из Германии Георг Симон Ом в 1826 году представил закон, который доказывал связь между сопротивлением, напряжением и силой тока в цепи. Благодаря Ому возникли новые термины:

падение напряжения в сети;
проводимость;
электродвижущая сила.

Его именем в 1960 году названа единица электросопротивления, а Ом, несомненно, входит в список тех, кто изобрел электричество.

Электромагнитная индукция

Английский химик и физик Майкл Фарадей совершил в 1831 году открытие электромагнитной индукции, которая лежит в основе массового производства электроэнергии. На основе этого явления он создает первый электродвигатель. В 1834 году Фарадей открывает законы электролиза, которые привели его к выводу, что носителем электрических сил можно считать атомы. Исследования электролиза сыграли существенную роль в возникновении электронной теории.

Фарадей является создателем учения об электромагнитном поле. Он сумел предсказать наличие электромагнитных волн.

Скорость электрического тока

Скорость движения свободных электронов в проводнике довольно маленькая. Однако, если взять электрическую лампочку, удалённую от источника на несколько километров, и соединить её такими же длинными проводниками с ним (источником), то электрический ток возникнет практически мгновенно после создания цепи. То есть, лампочка загорится сразу же при подключении к источнику питания. Дело в том, что через лампочку начинают идти электроны не от источника питания, а те свободные электроны, которые находятся в самом проводнике. На место ушедшего электрона приходит электрон от соседнего атома проводника, на его место от следующего атома. Получается своеобразная цепочка из электронов. А электроны из источника питания постепенно приходят на их место. В качестве пояснения можно привести пример с поливочным шлангом на даче. Если его наполнить водой и один конец подключить к водопроводу, то при открытии крана вода на другом конце начнёт сразу же вытекать из шланга. Молекулы воды, которыми в первый момент осуществляется полив, будут не из водопровода, а из шланга. Потом на их место придут молекулы воды из водопровода.

Безопасность и практика

Основы электротехники для начинающих делают особое ударение на правилах техники безопасности. Их несоблюдение на практике порой может стать причиной получения электротравм и повреждения имущества. Для новичков в электротехнике надо следовать четырём основным требованиям ТБ.

Четыре правила техники безопасности для новичков:

Перед работой с каким-либо устройством или оборудованием следует ознакомиться с его документацией. Все руководства по эксплуатации имеют раздел безопасности. В нём описаны опасные действия, которые могут вызвать короткое замыкание или удар электрическим током.
Прежде, чем приступать к работе с электротехническими устройствами или электропроводкой, нужно отключить электричество. Затем произвести осмотр состояния изоляции проводников. Если обнаружено нарушение изоляционного покрытия, то оголённую часть проводников надо покрыть отрезком изоляционной ленты.
При работе с проводкой и оборудованием под напряжением бытовой электросети надо использовать диэлектрические перчатки, защитные очки и обувь на толстой резиновой подошве. В электрораспределительных шкафах, щитах и электроустановках новичкам вообще делать нечего. Ими занимаются квалифицированные электрики, которые имеют допуск к работе под напряжением.
Ни в коем случае нельзя касаться оголённых проводников руками. Для этого есть отвёртки-пробники, мультиметры и другие электроизмерительные приборы. Только убедившись в отсутствии напряжения, можно касаться проводов.

Советы по электробезопасности

Таким образом, о мерах предосторожности не стоит забывать ни в коем случае, следует использовать качественное и исправное оборудование и инструменты. Желательно привлекать к ремонту только квалифицированных специалистов или браться за работу со знанием дела и в бодром состоянии

Также важно:

выключать пробки на щитке перед началом ремонта;
вывешивать предупреждающую табличку;
проверять наличие электричества с помощью специального тестера;
не использовать неисправные патроны, розетки, переключатели и электроприборы.

В ванных комнатах и других помещениях с повышенной влажностью можно использовать только специально предназначенные для этого светильники. Мыть лампы можно только после выключения светильника из розетки. А если в комнате находятся дети, нужно быть предельно внимательными и объяснять им, как обращаться с электрооборудованием

Важно помнить, что безопасность жильцов и их семей зависит исключительно от них самих, быть внимательными, не спешить и не экономить на лампочках и проводах. И тогда, если все сделать правильно, электроэнергия будет приносить только пользу

Что такое электричество

Термин «электричество» был введен в научное сообщество в 1600 году английским ученым Уильямом Гильбертом в сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». В научном труде он объяснил, как работает магнитный компас и описал опыты с наэлектризованными объектами.

Электричеством называют явления, которые происходят за счет существования, взаимодействия и движения электрических зарядов.

Происхождение термина

В VII веке до н. э. греческий философ Фалес Милетский обнаружил, что янтарь (древнегреческое «электрон»), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы. Уильям Гилберт в XVII веке назвал это явление электричеством, или «янтарностью».

История

Над изучением электричества работали из века в век множество ученых. Некоторые из них внесли свою лепту в открытие:

В 1663 году немец Отто фон Герике создал первую электростатическую машину, которая наглядно показала эффект притягивания и эффект отталкивания, возникающие от статического электричества.
В 1729 году английский ученый Стивен Грей экспериментировал с передачей электричества на расстояние и обнаружил, что все материалы обладают разной способностью передавать электричество.
В 1745 году голландский ученый Питер ван Мушенбрук создал первый в мире электрический конденсатор, известный как «Лейденская банка».
Американец Бенджамин Франклин написал первую теорию электричества, ввел понятия положительного и отрицательного зарядов, изобрел молниеотвод и доказал электрическую природу молний.
В 1785 году с открытием закона Кулона изучение электричества официально признается учеными точной наукой.
В 1800 году итальянский физик Алессандро Вольта изобрел первый источник постоянного тока. Им стал гальванический элемент, который представлял собой столб из цинковых и серебряных кружочков со смоченной в подсоленной воде бумагой между ними.
В 1802 году русский ученый Василий Петров обнаружил существование вольтовой дуги.
В 1821 году француз Ампер доказал, что связь между явлениями электричества и магнетизма существует, только4 если подается электрический ток.
Работы известных ученых Джоуля, Ленца, Ома помогли в открытии фундаментальных законов электричества.
В 1830 году немец Карл Гаусс сформулировал основную теорему теории электростатического поля.
В 1831 году англичанин Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию и создал первый в мире генератор электрической энергии. В 1834 году он же обосновал законы электролиза, ввел понятия магнитного и электрического полей. Ученому также принадлежит создание первого в мире электродвигателя.
В 1873 году шотландский физик Джеймс Максвелл разработал теорию электромагнитных явлений, связав электричество и магнетизм.
В 1873 году Александр Лодыгин продемонстрировал Академии наук лампу накаливания, созданную им по своей системе, за что получил Ломоносовскую премию.
В 1876 году другой русский ученый Павел Яблочков получил патент за лампочку своей системы, которой дали название «свеча Яблочкова».
В 1888 немецкий физик Генрих Герц опытным путем доказал существование электромагнитных волн.
В 1897 году англичанин Джозеф Томсон открыл материальный носитель электричества — электрон.
На протяжении XX века формировалась теория квантовой электродинамики.

Электрический ток

Согласно школьного курса физики – это упорядоченное движение заряженных частиц. Заряженными частицами, в зависимости от среды распространения, считаются электроны или ионы. Для металлов эти частицы – электроны, для некоторых газов или электролитов – ионы. Считается что именно их движение и являются электрическим током.

Как известно, в мире физики, объекты, обладающие разностью зарядов притягиваются, чтобы достигнуть равновесного состояния. Этот факт отлично подтверждает всем известный эксперимент с эбонитовой палочкой. Таким образом, электрический ток — это поток электронов или ионов, стремящихся воссоздать равновесие в мире электрических зарядов.

Не углубляясь в разновидности проводников, рассмотрим обыкновенные электрические провода и электроны, бегущие в них. Электроны заряжены отрицательно, значит их массовое скопление — это отрицательно заряженный объект. В то же время положительно заряженный объект — это место где имеется нехватка этих самых электронов, а значит скопление ионов (атомов с недостающими электронами). Так как природа стремится воссоздать равновесие, образуется поток электронов от минуса к плюсу.

Если природа стремится к равновесию, то отчего же образовались эти недостачи и излишки электронов?

Ответ довольно банален, за исключением некоторых природных явлений вроде молнии или статических разрядов. Люди их создают искусственно, чтобы пользоваться стремлением, или другими словами, силой природы прийти в равновесное состояние, в своих интересах. Как это происходит подробно рассказано в статье про источники тока.

Маленькая особенность: так как само явление электричества было открыто гораздо раньше его природы (упорядоченного движения электронов в металлах), а раньше люди думали, что движутся положительно заряженные частицы), то принято считать, что электрический ток течет от плюса к минусу, хотя сейчас уже ясно, что всё происходит наоборот. В консервативном мире науки решили ничего не менять и продолжают пользоваться веками укоренившейся схемой.

Поняв, как всё это движется, можно попробовать разобраться, что нам даёт этот самый электрический ток. Прохождение электронов по проводнику сопровождается массой удивительных физических явлений, от простого нагревания проводника, до электромагнитного поля вокруг него, но обо всём по порядку.

Как известно, электроны очень маленькие и понаблюдать за ними даже через самый мощный микроскоп не удастся. Поэтому для понимания и визуализации такого действа как электрический ток, придумали очень удобное сравнение — сравнение с водопроводной трубой.

Итак, представим себе водопроводную трубу, она является проводником или просто проводом, очень близко не так ли? В этой трубе течет вода – капли которой очень похожи на электроны, текущие в проводах. Эту воду что-то толкает и ей что-то мешает.

Поток воды можно описать присущими ему свойствами, такими как давление и скорость, а характеристики трубы можно описать такими понятиями как её пропускная способность и сопротивление потоку воды.

По аналогии поток электронов, то есть электрический ток, можно описать такими характеристиками как электрическое напряжение (давление для воды) и сила тока (объём потока воды). Электрический проводник по аналогии с трубой можно описать таким свойством как сопротивление электрическому току (сопротивление потоку воды).

К примеру, тонкая труба может пропустить лишь небольшой поток воды, точно также, тонкий провод способен пропустить поток электронов только с небольшой силой тока. Тонкая струйка, вылетающая из водного пистолета, имеет большую скорость, но очень маленький объем воды, также искра, вылетающая из пьезоэлемента зажигалки, имеет высокое напряжение, но очень маленькую силу тока.

Представим себе огромную трубу диаметром в целый метр и из неё течет, а лучше сказать «вываливается» огромное количество воды, при этом давление в ней довольно низкое (единицы атмосфер), но поток воды просто огромен (сотни литров в секунду). Та же история с толстым проводом точечной электросварки, напряжение там невысокое (несколько вольт), но сила тока просто огромная (сотни ампер), в месте контакта плавится металл. Предположим, что на краю трубы есть кран и он закрыт, вода внутри есть, но она никуда не течёт. Тоже самое с проводником, если цепь от плюса к минусу разорвана, а воздух для электрического тока настолько же труднопроходимая среда, как кран для воды, то ток тоже никуда не течёт. Но электроны из проводника, как и вода из трубы, никуда не делись и напряжение, как и давление в трубе тоже осталось, нет только потока электронов, а значит сила тока равна нулю.

Что такое электричество

Атомы и молекулыТрениемстатическим электричеством

В некоторых веществах, например в металлах, электроны могут свободно передвигаться. Когда что-то приводит их в движение, возникает поток электрических зарядов, называемый током. Проводники — это вещества, способные проводить, электрический ток. Если вещество не проводит ток, его называют изолятором. Дерево и пластмасса — изоляторы. В целях изоляции электрический выключатель помещают в пластмассовый корпус. Провода, как правило, делают из меди и покрывают пластиком для изоляции.

Впервые статическое электричество обнаружили древние греки более 2000 лет назад. Сейчас статическое электричество используется для получения фотокопий, факсов, распечаток на лазерных принтерах. Отраженный зеркалом лазерный луч создает на барабане лазерного принтера точечные статические заряды. Тонер притягивается к этим точкам и прижимается к бумаге.

Молния

Молнию вызывает статическое электричество, накапливающееся в грозовой туче в результате трения капелек воды и кристалликов льда, друг о друга. При трении друг о друга и о воздух капли воды и кристаллики льда приобретают заряд. Положительно заряженные капли собираются в верхней части тучи, а внизу накапливается отрицательный заряд. Большая искра, называемая лидером молнии, устремляется к земле, к точке, имеющей противоположный заряд. Перед возникновением лидера разность потенциалов в верхней и нижней областях тучи может составить до 100 млн. вольт. Лидер вызывает ответный разряд, устремляющийся тем же путем от земли к туче. Воздух внутри этого разряда в пять раз горячее поверхности Солнца — он нагревается до 33 000 °С. Разогретый разрядами молнии воздух быстро расширяется, создавая воздушную волну. Мы воспринимаем ее как гром.

Электрический ток

Электрический ток — это поток заряженных частиц, перемещающихся из области высокого электрического потенциала в область низкого потенциала. Частицы приводит в движение разность потенциалов, которая измеряется в вольтах. Для протекания тока между двумя точками необходима непрерывная «дорога» — цепь. Между двумя полюсами батарейки существует разность потенциалов. Если соединить их в цепь, возникнет ток. Сила тока зависит от разности потенциалов и сопротивления элементов цепи. Все вещества, даже проводники, оказывают току некоторое сопротивление и ослабляют его. Единица силы тока названа ампером (А) в честь французского ученого Андре-Мари Ампера (1775 — 1836).

Для разных устройств нужен ток разной силы. Электроприборы, например лампочки, превращают электрическую энергию тока в другие формы энергии, в тепло и свет. Эти устройства могут быть включены в цепь двумя способами: последовательно и параллельно. В последовательной цепи ток проходит по всем компонентам по очереди. Если один из компонентов перегорает, цепь размыкается и ток пропадает. В параллельной цепи ток идет по нескольким путям. Если один компонент цепи выходит из строя, по другой ветви ток идет по-прежнему.

От электрической теории к точной науке

Накопленная в результате исследований практическая база позволила синтезировать знания, научиться управлять энергией. Основой формирования точной науки стали открытия природы тока. Время изобретения искусственного электричества относится к периоду XVIII-XIX вв. Открытия делались в краткий период, что было связано с активным развитием мысли.

Большой вклад в точную науку внес Томас Эдисон. Никола Тесла принадлежит теоретическое подтверждение магнетизма, а разработки ученого позволили получить беспроводное электричество.