Досліди з електрикою для дітей: охоронна сигналізація своїми руками. Розповідь про електрику дітям Як розповісти дітям про електрику

У повсякденному житті ми часто стикаємося з таким поняттям, як «електрика». Що ж таке електрика, чи завжди люди знали про неї?

Без електрики уявити нашу сучасне життяпрактично неможливо. Скажіть, як можна обійтися без освітлення та тепла, без електродвигуна та телефону, без комп'ютера та телевізора? Електрика настільки глибоко проникла у наше життя, що ми часом і не замислюємося, що це за чарівник допомагає нам у роботі.

Цей чарівник – електрика. У чому полягає суть електрики? Суть електрики зводиться до того, що потік заряджених частинок рухається провідником (провідник – це речовина, здатна проводити електричний струм) у замкнутому ланцюзі від джерела струму до споживача. Рухаючись потік частинок виконують певну роботу.

Це явище називається « електричний струм». Силу електричного струму можна виміряти. Одиниця виміру сили струму - Ампер, отримала свою назву на честь французького вченого, який першим досліджував властивості струму. Ім'я вченого-фізика – Андре Ампер.

Відкриття електричного струму та інших нововведень, пов'язаних з ним, можна віднести до періоду: кінець дев'ятнадцятого - початок ХХ століття. Але спостерігали перші електричні явища люди ще п'ятому столітті до нашої ери. Вони помічали, що потертий хутром або шерстю шматок бурштину притягує до себе легкі тіла, наприклад, порошинки. Стародавні греки навіть навчилися використовувати це явище – для видалення пилу з дорогих шат. Ще вони помітили, що якщо сухе волосся розчесати бурштиновим гребенем, воно встає, відштовхуючись один від одного.

Повернемося ще раз до визначення електричного струму. Струм - спрямований рух заряджених частинок. Якщо маємо справу з металом, то заряджені частинки – це електрони. Слово «бурштин» по-грецьки – це електрон.

Таким чином, ми розуміємо, що всім нам відоме поняття «електрика» має давнє коріння.

Електрика – це наш друг. Воно допомагає нам у всьому. Вранці ми вмикаємо світло, електричний чайник. Ставимо підігрівати їжу в мікрохвильову піч. Користуємося ліфтом. Їдемо до трамваю, розмовляємо стільниковим телефоном. Працюємо на промислових підприємствах, в банках і лікарнях, на полях і в майстернях, ми вчимося в школі, де тепло і світло. І скрізь «працює» електрику.

Як і багато в нашому житті, електрика має не тільки позитивну, а й негативну сторону. Електричний струм, як чарівника-невидимку, не можна розглянути, відчути його запахом. Визначити наявність або відсутність струму можна лише за допомогою приладів вимірювальної апаратури. Перший випадок ураження електричним струмом зі смертельними наслідками був описаний у 1862 році. Трагедія сталася при ненавмисному зіткненні людини з струмопровідними частинами. Надалі випадків ураження електричним струмом сталося чимало.

Електрика! Увага, електрика!

Ця розповідь про електрику – для дітей. Але, само собою, електрика — поняття далеко не дитяче. Тому, хотілося б і в цій розповіді звернутися до мам і тат, бабусей та дідусів.

Шановні дорослі! Розповідаючи про електрику дітям, не забудьте наголосити, що струм – невидимий, а тому особливо підступний. Що не потрібно робити дорослим та дітям? Не торкайтеся руками, не підходьте близько до проводів та електрокомплексів. Неподалік ліній електропередач, підстанцій не зупиняйтеся на відпочинок, не розводьте вогнищ, не запускайте іграшки, що літають. Провід, що лежить на землі, може таїти в собі смертельну небезпеку. Електричні розетки, якщо в будинку маленька дитина - об'єкт особливого контролю.

Головна вимога до дорослих — не тільки самим дотримуватися правил безпеки, а й постійно інформувати дітей про те, наскільки може бути підступний електричний струм.

Висновок

Фізики "дали доступ" людству до електрики. Заради майбутнього вчені йшли на поневіряння, витрачали статки, щоб вершити великі відкриття та дарувати результати своїх праць людям.

Будемо дбайливо ставитися до праць фізиків, до електрики, пам'ятатимемо про ту небезпеку, яку вона потенційно несе у собі.

Байку про електрику можна подивитися

Фізика електрики – це те, із чим доводиться стикатися кожному з нас. У статті розглянемо основні поняття, пов'язані з нею.

Що таке електрика? Для людини непосвяченої воно асоціюється зі спалахом блискавки або з енергією, що живить телевізор і пральну машину. Він знає, що електропоїзди використовують електричну енергію. Про що він може розповісти? Про нашу залежність від електрики йому нагадують лінії електропередач. Хтось зможе навести кілька інших прикладів.

Проте з електрикою пов'язано чимало інших, менш очевидних, але повсякденних явищ. З усіма ними нас знайомить фізика. Електрику (завдання, визначення та формули) ми починаємо вивчати ще у школі. І дізнаємось багато цікавого. Виявляється, серце, що б'ється, спортсмен, що біжить, спляча дитина і плаваюча риба - все виробляє електричну енергію.

Електрони та протони

Визначимо основні поняття. З погляду вченого, фізика електрики пов'язана з рухом електронів та інших заряджених частинок у різних речовинах. Тому наукове розуміння природи явища, що цікавить нас, залежить від рівня знань про атоми і складових їх субатомних частинок. Ключем до цього розуміння є крихітний електрон. Атоми будь-якої речовини містять один або більше електронів, що рухаються по різних орбітах навколо ядра подібно до того, як планети обертаються навколо Сонця. Зазвичай число електронів в атомі дорівнює кількості протонів у ядрі. Однак протони, будучи значно важчими за електрони, можна вважати як би закріпленими в центрі атома. Цій гранично спрощеній моделі атома цілком достатньо, щоб пояснити основи такого явища, як фізика електрики.

Про що ще потрібно знати? Електрони та протони мають однаковий за величиною електричний заряд (але різного знаку), тому вони притягуються один до одного. Заряд протона є позитивним, а електрона негативним. Атом, що має електронів більше або менше, ніж зазвичай, називається іоном. Якщо атомі їх недостатньо, він називається позитивним іоном. Якщо він містить їх надлишок, його називають негативним іоном.

Коли електрон залишає атом, той набуває деякого позитивного заряду. Електрон, позбавлений своєї протилежності - протона або рухається до іншого атома, або повертається до колишнього.

Чому електрони залишають атоми?

Це пояснюється кількома причинами. Найбільш загальна полягає в тому, що під впливом імпульсу світла або якогось зовнішнього електрона електрон, що рухається в атомі, може бути вибитий зі своєї орбіти. Тепло змушує атоми коливатися швидше. Це означає, що електрони можуть вилетіти зі свого атома. При хімічних реакціях вони переміщаються від атома до атома.

Хороший приклад взаємозв'язку хімічної та електричної активності дають нам м'язи. Їхні волокна скорочуються при впливі електричного сигналу, що надходить з нервової системи. Електричний струм стимулює хімічні реакції. Вони і призводять до скорочення м'яза. Зовнішні електричні сигнали часто використовуються для штучного стимулювання м'язової активності.

Провідність

У деяких речовинах електрони під впливом зовнішнього електричного поля рухаються вільніше, ніж у інших. Кажуть, що такі речовини мають хорошу провідність. Їх називають провідниками. До них відноситься більшість металів, нагріті гази та деякі рідини. Повітря, гума, олія, поліетилен та скло погано проводять електрику. Їх називають діелектриками та використовують для ізоляції хороших провідників. Ідеальних ізоляторів (які абсолютно не проводять струму) не існує. За певних умов можна видалити електрони з будь-якого атома. Проте ці умови настільки важко виконати, що з практичної точки зору подібні речовини можна вважати непровідними.

Знайомлячись із такою наукою, як фізика (розділ "Електрика"), ми дізнаємося, що існує особлива група речовин. Це напівпровідники. Вони поводяться частково як діелектрики, а частково як провідники. До них, зокрема, належать: германій, кремній, окис міді. Завдяки своїм властивостям напівпровідник знаходить багато застосувань. Наприклад, він може служити електричним вентилем: подібно до клапана велосипедної шини він дозволяє зарядам рухатися тільки в одному напрямку. Такі пристрої називаються випрямлячами. Вони використовуються і в мініатюрних радіоприймачах, і великих електростанціях для перетворення змінного струмуу постійний.

Тепло є хаотичну форму руху молекул чи атомів, а температура - міра інтенсивності цього руху (у більшості металів зі зниженням температури рух електронів стає вільнішим). Це означає, що опір вільного руху електронів падає зі зменшенням температури. Інакше кажучи, провідність металів зростає.

Надпровідність

У деяких речовинах за дуже низьких температур опір потоку електронів зникає повністю, і електрони, почавши рух, продовжують його необмежено. Це називається надпровідністю. При температурі кілька градусів вище за абсолютного нуля (- 273 °С) вона спостерігається в таких металах, як олово, свинець, алюміній і ніобій.

Генератори Ван де Граафа

До шкільної програми входять різні досліди з електрикою. Існує безліч видів генераторів, про один з яких нам хотілося б докладніше розповісти. Генератор Ван де Граафа використовується для отримання надвисокої напруги. Якщо предмет, що містить надлишок позитивних іонів, помістити всередину контейнера, то на внутрішній поверхні останнього з'являться електрони, а на зовнішній - така кількість позитивних іонів. Якщо тепер торкнутися внутрішньої поверхні зарядженим предметом, то нього перейдуть всі вільні електрони. На зовнішній позитивні заряди залишаться.

У генераторі Ван де Граафа позитивні іони від джерела наносяться на стрічку конвеєра, що проходить усередині металевої сфери. Стрічка пов'язана із внутрішньою поверхнею сфери за допомогою провідника у вигляді гребеня. Електрони стікають із внутрішньої поверхні сфери. На зовнішній стороні її з'являються позитивні іони. Ефект можна посилити, використовуючи два генератори.

Електричний струм

До шкільного курсу фізики входить і таке поняття, як електричний струм. Що це таке? Електричний струм обумовлений рухом електричних зарядів. Коли електрична лампа, з'єднана з батареєю, увімкнена, струм тече по дроту від одного полюса батареї до лампи, потім через її волосок, викликаючи його свічення, і повертається назад по другому дроту до іншого полюса батареї. Якщо вимикач повернути, то ланцюг розімкнеться - рух струму припиниться, і лампа згасне.

Рух електронів

Струм у більшості випадків є упорядкованим рухом електронів у металі, що служить провідником. У всіх провідниках та деяких інших речовинах завжди відбувається якийсь випадковий рух, навіть якщо струм не протікає. Електрони в речовині можуть бути вільні або сильно пов'язані. Хороші провідники мають вільні електрони, здатні рухатися. А ось у поганих провідниках, чи ізоляторах, більшість цих частинок досить міцно пов'язані з атомами, що перешкоджає їхньому руху.

Іноді природним чи штучним шляхом у провіднику створюється рух електронів у певному напрямку. Цей потік називають електричним струмом. Він вимірюється у амперах (А). Носіями струму можуть служити також іони (в газах або розчинах) і «дірки» (нестача електронів у деяких видах напівпровідників. Останні поводяться як позитивно заряджені носії електричного струму. Щоб змусити електрони рухатися в тому чи іншому напрямку, потрібна сила. її джерелами можуть бути: вплив сонячного світла, магнітні ефекти та хімічні реакції. Деякі з них використовуються для отримання електричного струму. , Створюючи електрорушійну силу (ЕРС), змушують електрони рухатися в одному напрямку по ланцюгу. Величина ЕРС вимірюється в вольтах (В)

Величина ЕРС і сила струму пов'язані між собою, як тиск та потік у рідині. Водопровідні труби завжди заповнені водою під певним тиском, але вода починає текти лише коли відкривають кран.

Аналогічно електрична ланцюг може бути з'єднана з джерелом ЕРС, але струм в ній не потече до тих пір, поки не буде створено шлях, яким можуть рухатися електрони. Їм може бути, скажімо, електрична лампа або пилосос, вимикач тут грає роль крана, що «випускає» струм.

Співвідношення між струмом та напругою

У міру зростання напруги в ланцюзі зростає струм. Вивчаючи курс фізики, ми дізнаємося, що електричні кола складаються з кількох різних частин: зазвичай це вимикач, провідники та пристрій, який споживає електроенергію. Всі вони, з'єднані разом, створюють опір електричному струму, який (за умови сталості температури) цих компонентів не змінюється з часом, але кожного з них по-різному. Тому, якщо одну і ту ж напругу застосувати до лампочки і праски, то потік електронів у кожному з приладів буде різний, оскільки різні опори. Отже, сила струму, що протікає через певну ділянку ланцюга, визначається як напругою, а й опором провідників і приладів.

Закон Ома

Розмір електричного опору вимірюється в омах (Ом) у такій науці, як фізика. Електрика (формули, визначення, досліди) - велика тема. Ми не виводитимемо складні формули. Для першого знайомства з темою достатньо того, що було сказано вище. Однак одну формулу таки варто вивести. Вона дуже проста. Для будь-якого провідника або системи провідників і приладів співвідношення між напругою, струмом і опором визначається формулою: напруга = струм х опір. Це математичний вираззакону Ома, названого так на честь Георга Ома (1787-1854 рр.), який першим встановив взаємозв'язок цих трьох параметрів.

Фізика електрики – дуже цікавий розділ науки. Ми розглянули лише основні поняття, пов'язані з нею. Ви дізналися, що така електрика, як вона утворюється. Сподіваємося, ця інформація вам знадобиться.

Електрика для чайників. Школа для електрика

Пропонуємо невеликий матеріал на тему: «Електрика для початківців». Він дасть первісне уявлення про терміни та явища, пов'язані з рухом електронів у металах.

Особливості терміну

Електрика є енергію невеликих заряджених частинок, що рухаються в провідниках у певному напрямку.

При постійному струмі немає зміни його величини, і навіть напрями руху за певний проміжок часу. Якщо як джерело струму вибирається гальванічний елемент (батарейка), то заряд рухається впорядковано: від негативного полюса до позитивного кінця. Процес триває доти, доки він повністю не зникне.

Змінний струм періодично змінює величину, а також напрямок руху.

Схема передачі змінного струму

Спробуймо зрозуміти, що таке фаза в електриці. Кожен чув це слово, але не всі розуміють його справжнє значення. Не заглиблюватимемося в деталі та подробиці, виберемо тільки той матеріал, який необхідний домашньому майстру. Трифазна мережа є способом передачі електричного струму, при якому по трьох різних дротах протікає струм, а по одному йде його повернення. Наприклад, в електричному ланцюзі є два дроти.

Першим дротом до споживача, наприклад, до чайника, йде струм. Другий провід використовується для його повернення. При розмиканні такого ланцюга проходження електричного заряду всередині провідника не буде. Ця схемаописує однофазний ланцюг. Що таке фаза в електриці? Фазою вважають провід, яким протікає електричний струм. Нульовим називають провід, яким здійснюється повернення. У трифазному ланцюгу присутні відразу три фазні дроти.

Електричний щиток у квартирі необхідний для розподілу електричного струму на всі приміщення. Трифазні мережі вважають економічно доцільними, оскільки для них не потрібні два нульові дроти. При підході до споживача йде поділ струму на три фази, причому в кожній є по нулю. Заземлювач, який використовується в однофазній мережі, не має робочого навантаження. Він є запобіжником.

Наприклад, у разі короткого замикання виникає загроза удару струмом, пожежі. Для запобігання такій ситуації величина струму не повинна перевищувати безпечний рівень, надлишок йде в землю.

Посібник "Школа для електрика" допоможе майстрам-початківцям справлятися з деякими поломками побутових приладів. Наприклад, якщо виникли проблеми при функціонуванні електричного двигуна пральної машини, струм потраплятиме на зовнішній металевий корпус.

За відсутності заземлення заряд розподілятиметься по машині. При дотику до неї руками, у ролі заземлювача виступить людина, отримавши удар електричним струмом. За наявності дроту заземлення такої ситуації не виникне.

Особливості електротехніки

Посібник "Електрика для чайників" користується популярністю у тих, хто далекий від фізики, але планує використовувати цю науку в практичних цілях.

Датою появи електротехніки вважають початок дев'ятнадцятого століття. Саме в цей час було створено перше джерело струму. Відкриття, зроблені в галузі магнетизму та електрики, зуміли збагатити науку новими поняттями та фактами, що мають важливе практичне значення.

Посібник "Школа для електрика" передбачає знайомство з основними термінами, що стосуються електрики.

Багато збірниках з фізики є складні електричні схеми, і навіть різноманітні незрозумілі терміни. Для того, щоб новачки могли розібратися у всіх тонкощах цього розділу фізики, було розроблено спеціальний посібник «Електрика для чайників». Екскурсію у світ електрона необхідно розпочинати з розгляду теоретичних законів та понять. Наочні приклади, історичні факти, що використовуються в книзі «Електрика для чайників», допоможуть електрикам-початківцям засвоювати знання. Для перевірки успішності можна використовувати завдання, випробування, вправи, пов'язані з електрикою.

Якщо ви розумієте, що у вас недостатньо теоретичних знань для того, щоб самостійно впоратися із підключенням електричної проводки, зверніться до довідників для чайників.

Безпека та практика

Для початку потрібно уважно вивчити розділ, що стосується техніки безпеки. У такому разі під час робіт, пов'язаних з електрикою, не виникатиме надзвичайних ситуацій, небезпечних для здоров'я.

Для того, щоб на практиці реалізувати теоретичні знання, отримані після самостійного вивчення основ електротехніки, можна почати зі старої побутової техніки. До початку ремонту обов'язково ознайомтеся з інструкцією до приладу. Не забувайте, що з електрикою жартувати не потрібно.

Електричний струм пов'язаний із пересуванням електронів у провідниках. Якщо речовина не здатна проводити струм, її називають діелектриком (ізолятором).

Для руху вільних електронів від одного полюса до іншого між ними має існувати певна різниця потенціалів.

Інтенсивність струму, що проходить через провідник, пов'язана з кількістю електронів, що проходять через поперечний перерізпровідника.

На швидкість проходження струму впливає матеріал, довжина, площа перерізу провідника. При збільшенні довжини дроту збільшується його опір.

Висновок

Електрика є важливим та складним розділом фізики. Посібник "Електрика для чайників" розглядає основні величини, що характеризують ефективність роботи електричних двигунів. Одиницями вимірювання напруги є вольти, що струм визначається в амперах.

У будь-якого джерела електричної енергіїІснує певна потужність. Вона має на увазі кількість електрики, що виробляється приладом за певний проміжок часу. Споживачі енергії (холодильники, пральні машини, чайники, праски) також мають потужність, витрачаючи електрику під час роботи. За бажання можна провести математичні розрахунки, визначити приблизну плату кожен побутовий прилад.

Електричний струм

Класична електродинаміка

Електрика · Магнетизм

Електростатика Магнітостатика Електродинаміка Електричний ланцюг Коваріантне формулювання Відомі вчені

Див. також: Портал:Фізика

Електричний струм- Спрямований (упорядкований) рух частинок або квазічастинок - носіїв електричного заряду.

Такими носіями можуть бути: в металах - електрони, в електролітах - іони (катіони та аніони), у газах - іони та електрони, у вакуумі за певних умов - електрони, у напівпровідниках - електрони або дірки (електронно-діркова провідність). Іноді електричним струмом називають також струм усунення, що виникає внаслідок зміни у часі електричного поля.

Електричний струм має такі прояви:

• нагрівання провідників (не відбувається у надпровідниках);
• зміна хімічного складупровідників (спостерігається переважно в електролітах);
• створення магнітного поля(Виявляється у всіх без винятку провідників).

Класифікація

Якщо заряджені частинки рухаються всередині макроскопічних тіл щодо того чи іншого середовища, то такий струм називають електричним. струм провідності. Якщо рухаються макроскопічні заряджені тіла (наприклад, заряджені краплі дощу), цей струм називають конвекційним.

Розрізняють постійний та змінний електричні струми, а також різноманітні різновиди змінного струму. У таких поняттях часто слово "електричний" опускають.

• Постійний струм - Струм, напрям і величина якого не змінюються в часі.

• Змінний струм - Електричний струм, що змінюється в часі. Під змінним струмом розуміють будь-який струм, що не є постійним.

• Періодичний струм - Електричний струм, миттєві значення якого повторюються через рівні інтервали часу в незмінній послідовності.

• Синусоїдальний струм - Періодичний електричний струм, що є синусоїдальною функцією часу. Серед змінних струмів основним є струм, величина якого змінюється за синусоїдальним законом. В цьому випадку потенціал кожного кінця провідника змінюється по відношенню до потенціалу іншого кінця провідника поперемінно з позитивного на негативний і навпаки, проходячи при цьому через всі проміжні потенціали (включаючи нульовий потенціал). В результаті виникає струм, безперервно змінює напрямок: при русі в одному напрямку він зростає, досягаючи максимуму, що називається амплітудним значенням, потім спадає, на якийсь момент стає рівним нулю, потім знову зростає, але вже в іншому напрямку і також досягає максимального значення , спадає, щоб знову пройти через нуль, після чого цикл всіх змін відновлюється.

• Квазистаціонарний струм - «відносно змінний струм, що повільно змінюється, для миттєвих значень якого з достатньою точністю виконуються закони постійних струмів» (БСЕ). Цими законами є закон Ома, правила Кірхгофа та інші. Квазистаціонарний струм, так само як і постійний струм, має однакову силу струму у всіх перерізах нерозгалуженого ланцюга. При розрахунку ланцюгів квазістаціонарного струму через е. д. с. індукції ємності та індуктивності враховуються як зосереджені параметри. Квазистаціонарними є звичайні промислові струми, крім струмів у лініях далеких передач, у яких умова квазистаціонарності вздовж лінії не виконується.

• Струм високої частоти - Змінний струм, (починаючи з частоти приблизно в десятки кГц), для якого стають значущими такі явища, як випромінювання електромагнітних хвиль і скін-ефект. Крім того, якщо довжина хвилі випромінювання змінного струму стає порівнянною з розмірами елементів електричного ланцюга, то порушується умова квазістаціонарності, що потребує особливих підходів до розрахунку та проектування таких ланцюгів. (Див. Довга лінія).

• Пульсуючий струм - це періодичний електричний струм, середнє значення якого за період на відміну від нуля.

• Односпрямований струм - це електричний струм, який не змінює свого напряму.

Вихрові струми

Вихрові струми (струми Фуко) - «замкнуті електричні струми в масивному провіднику, які виникають при зміні магнітного потоку, що пронизує його», тому вихрові струми є індукційними струмами. Чим швидше змінюється магнітний потік, тим більше вихрові струми. Вихрові струми не течуть певними шляхами у проводах, а замикаючись у провіднику утворюють вихроподібні контури.

Існування вихрових струмів призводить до скін-ефекту, тобто до того, що змінний електричний струм і магнітний потік поширюються в основному поверхневому шарі провідника. Нагрів вихровими струмами провідників призводить до втрат енергії, особливо в осердях котушок змінного струму. Для зменшення втрат енергії на вихрові струми застосовують розподіл магнітопроводів змінного струму на окремі пластини, ізольовані один від одного і розташовані перпендикулярно до напряму вихрових струмів, що обмежує можливі контури їх шляхів і сильно зменшує величину цих струмів. При дуже високих частотах замість феромагнетиків для магнітопроводів застосовують магнітодіелектрики, в яких через дуже великий опір вихрові струми практично не виникають.

Характеристики

Історично прийнято, що напрямок струмузбігається із напрямом руху позитивних зарядів у провіднику. При цьому якщо єдиними носіями струму є негативно заряджені частинки (наприклад, електрони в металі), то напрям струму протилежно напрямку руху заряджених частинок.

Дрейфова швидкість електронів

Швидкість (дрейфова) спрямованого руху частинок у провідниках, викликаного зовнішнім полем, залежить від матеріалу провідника, маси та заряду частинок, навколишньої температури, прикладеної різниці потенціалів і становить величину, набагато меншу за швидкість світла. За 1 секунду електрони в провіднику переміщуються за рахунок упорядкованого руху менше ніж на 0,1 мм - у 20 разів повільніше за швидкість равлика джерело не вказано 257 днів]. Попри це, швидкість поширення власне електричного струму дорівнює швидкості світла (швидкості поширення фронту електромагнітної хвилі). Тобто місце, де електрони змінюють швидкість свого руху після зміни напруги, переміщається зі швидкістю поширення електромагнітних коливань.

Сила та щільність струму

Електричний струм має кількісні характеристики: скалярну силу струму, і векторну щільність струму.

Сила струму- фізична величина, що дорівнює відношенню кількості заряду Q (\displaystyle \ Delta Q), що пройшов за деякий час Δ t (\displaystyle \ Delta t) через поперечний переріз провідника, до величини цього проміжку часу.

I = Q Δ t . (\displaystyle I=(\frac (\Delta Q)(\Delta t)).)

Сила струму у Міжнародній системі одиниць (СІ) вимірюється в амперах (російське позначення: А; міжнародне: A).

За законом Ома сила струму I (\displaystyle I) дільниці ланцюга прямо пропорційна напрузі U (\displaystyle U) , прикладеному до цієї ділянці ланцюга, і обернено пропорційна його опору R (\displaystyle R) :

I = U R. (\displaystyle I=(\frac (U)(R)).)

Якщо ділянці ланцюга електричний струм не постійний, то напруга і сила струму постійно змінюється, причому у звичайного змінного струму середні значення напруги та сили струму дорівнюють нулю. Однак середня потужність тепла, що виділяється при цьому, нулю не дорівнює. Тому застосовують такі поняття:

• миттєві напруга та сила струму, тобто діючі на даний момент часу.
• амплітудна напруга та сила струму, тобто максимальні абсолютні значення
• ефективні (діючі) напруга і сила струму визначаються тепловою дією струму, тобто мають ті ж значення, які вони мають постійного струмуіз таким же тепловим ефектом.

Щільність струму - вектор, абсолютна величина якого дорівнює відношенню сили струму, що протікає через деякий переріз провідника, перпендикулярне до напряму струму, до площі цього перерізу, а напрям вектора збігається з напрямом руху позитивних зарядів, що утворюють струм.

Відповідно до закону Ома в диференціальній формі щільність струму в середовищі j → (\displaystyle (\vec (j))) пропорційна напруженості електричного поля E → (\displaystyle (\vec (E))) та провідності середовища σ (\displaystyle \ \sigma ) :

J → = E → . (\displaystyle (\vec (j))=\sigma (\vec (E)).)

Потужність

За наявності струму у провіднику відбувається робота проти сил опору. Електричний опір будь-якого провідника складається з двох складових:

• активний опір – опір теплоутворенню;
• реактивний опір - «опір, зумовлений передачею енергії електричному або магнітному полю (і назад)» (БСЕ).

Як правило, більшість роботи електричного струму виділяється у вигляді тепла. Потужністю теплових втрат називається величина, що дорівнює кількості тепла, що виділилося в одиницю часу. Відповідно до закону Джоуля - Ленца потужність теплових втрат у провіднику пропорційна силі струму, що протікає, і прикладеному напрузі:

P = I U = I 2 R = U 2 R (\displaystyle P=IU=I^(2)R=(\frac (U^(2))(R)))

Потужність вимірюється у ватах.

У суцільному середовищі об'ємна потужність втрат p (\displaystyle p) визначається скалярним добутком вектора щільності струму j → (\displaystyle (\vec (j))) і вектора напруженості електричного поля E → (\displaystyle (\vec (E))) даної точки:

P = (j → E →) = σ E 2 = j 2 σ (\displaystyle p=\left((\vec (j))(\vec (E))\right)=\sigma E^(2)= (\frac (j^(2))(\sigma )))

Об'ємна потужність вимірюється у ватах на кубічний метр.

Опір випромінювання викликаний утворенням електромагнітних хвиль навколо провідника. Цей опір знаходиться в складній залежності від форми і розмірів провідника, від довжини хвилі, що випромінюється. Для одиночного прямолінійного провідника, в якому скрізь струм одного напрямку і сили, і довжина яких L значно менше довжини електромагнітної хвилі λ (\displaystyle \lambda ) , що випромінюється ним , залежність опору від довжини хвилі і провідника відносно проста:

R = 3200 (L λ) (displaystyle R = 3200 left ((frac (L) (lambda))

Найбільш застосовуваному електричному струму зі стандартною частотою 50 Гцвідповідає хвиля довжиною близько 6 тисяч кілометрів, саме тому потужність випромінювання зазвичай нехтує в порівнянні з потужністю теплових втрат. Однак, зі збільшенням частоти струму довжина хвилі, що випромінюється, зменшується, відповідно зростає потужність випромінювання. Провідник, здатний випромінювати помітну енергію, називається антеною.

Частота

Поняття частоти відноситься до змінного струму, що періодично змінює силу та/або напрямок. Сюди відноситься найбільш часто застосовуваний струм, що змінюється за синусоїдальним законом.

p align="justify"> Період змінного струму - найменший проміжок часу (виражений в секундах), через який зміни сили струму (і напруги) повторюються. Кількість періодів, що здійснюється струмом за одиницю часу, називається частота. Частота вимірюється у герцах, один герц (Гц) відповідає одному періоду на секунду.

Струм зміщення

Іноді для зручності вводять поняття зсуву струму. У рівняннях Максвелла струм усунення є на рівних правах зі струмом, викликаним рухом зарядів. Інтенсивність магнітного поля залежить від повного електричного струму, що дорівнює сумі струму провідності та струму зміщення. За визначенням, щільність струму зміщення j D → (\displaystyle (\vec (j_(D)))) - векторна величина, пропорційна швидкості зміни електричного поля E → (\displaystyle (\vec (E))) у часі:

J D → = ∂ E → ∂ t (\displaystyle (\vec (j_(D)))=(\frac (\partial (\vec (E)))(\partial t)))

Справа в тому, що при зміні електричного поля, як і при протіканні струму, відбувається генерація магнітного поля, що робить ці два процеси схожими один на одного. З іншого боку, зміна електричного поля зазвичай супроводжується перенесенням енергії. Наприклад, при зарядці і розрядці конденсатора, незважаючи на те, що між його обкладками не відбувається руху заряджених частинок, говорять про протікання через нього струму зсуву, що переносить деяку енергію і своєрідним замикає електричний ланцюг. Струм зміщення I D (displaystyle I_(D)) в конденсаторі визначається за формулою:

I D = d Q d t = − C d U d t (\displaystyle I_(D)=(\frac((rm(d))Q)((rm(d))t))=-C(\frac ( (rm(d))U)((rm(d))t))),

де Q (displaystyle Q) - заряд на обкладках конденсатора, U (displaystyle U) - різниця потенціалів між обкладками, C (displaystyle C) - ємність конденсатора.

Струм зміщення не є електричним струмом, оскільки не пов'язаний із переміщенням електричного заряду.

Основні типи провідників

На відміну від діелектриків у провідниках є вільні носії некомпенсованих зарядів, які під дією сили, як правило різниці електричних потенціалів, починають рухатися і створюють електричний струм. Вольтамперна характеристика (залежність сили струму від напруги) є найважливішою характеристикою провідника. Для металевих провідників та електролітів вона має найпростіший вид: сила струму прямо пропорційна напрузі (закон Ома).

Метали - тут носіями струму є електрони провідності, які прийнято розглядати як електронний газ, який виразно виявляє квантові властивості виродженого газу.

Плазма – іонізований газ. Електричний зарядпереноситься іонами (позитивними та негативними) та вільними електронами, які утворюються під дією випромінювання (ультрафіолетового, рентгенівського та інших) та (або) нагрівання.

Електроліти - «рідкі або тверді речовини і системи, в яких присутні в помітній концентрації іони, що зумовлюють проходження електричного струму». Іони утворюються у процесі електролітичної дисоціації. При нагріванні опір електролітів падає через збільшення числа молекул, що розклалися на іони. Внаслідок проходження струму через електроліт іони підходять до електродів і нейтралізуються, осідаючи на них. Закони електролізу Фарадея визначають масу речовини, що виділилася на електродах.

Існує також електричний струм електронів у вакуумі, який використовується у електронно-променевих приладах.

Електричні струми у природі

Атмосферна електрика - електрика, що міститься у повітрі. Вперше показав присутність електрики у повітрі та пояснив причину грому та блискавки Бенджамін Франклін. Надалі було встановлено, що електрика накопичується в згущенні пари у верхніх шарах атмосфери, і вказані такі закони, якими слідує атмосферна електрика:

• при ясному небі, так само як і при хмарному, електрика атмосфери завжди позитивна, якщо на деякій відстані від місця спостереження не йде дощ, град чи сніг;
• напруга електрики хмар стає досить сильною для виділення його з довкіллялише тоді, коли хмарні пари згущуються в дощові краплі, доказом чого може бути те, що розрядів блискавок не буває без дощу, снігу чи граду місці спостереження, виключаючи зворотний удар блискавки;
• атмосферна електрика збільшується в міру зростання вологості та досягає максимуму при падінні дощу, граду та снігу;
• місце, де йде дощ, є резервуаром позитивної електрики, оточеним негативним поясом, який, у свою чергу, укладений в пояс позитивного. На межах цих поясів напруга дорівнює нулю. Рух іонів під дією сил електричного поля формує в атмосфері вертикальний струм провідності із середньою щільністю, що дорівнює близько (2÷3)·10−12 А/м².

Повний струм, що тече всю поверхню Землі, у своїй становить приблизно 1800 А.

Блискавка є природним іскровим електричним розрядом. Було встановлено електричну природу полярних сяйв. Вогні святого Ельма – природний коронний електричний розряд.

Біоструми - рух іонів та електронів відіграє дуже істотну роль у всіх життєвих процесах. Біопотенціал, що створюється при цьому, існує як на внутрішньоклітинному рівні, так і в окремих частин тіла і органів. Передача нервових імпульсів відбувається з допомогою електрохімічних сигналів. Деякі тварини (електричні скати, електричний вугор) здатні накопичувати потенціал у кілька сотень вольт і використовують це для самозахисту.

Застосування

При вивченні електричного струму було виявлено багато його властивостей, які дозволили знайти йому практичне застосуванняу різних галузях людської діяльності, і навіть створити нові області, які без існування електричного струму були б неможливими. Після того, як електричному струму знайшли практичне застосування, і через те, що електричний струм можна отримувати різними способами, у промисловій сфері виникло нове поняття - електроенергетика.

Електричний струм використовується як носій сигналів різної складності та видів у різних областях (телефон, радіо, пульт керування, кнопка дверного замка тощо).

У деяких випадках з'являються небажані електричні струми, наприклад блукаючи струми або струм короткого замикання.

Використання електричного струму як носія енергії

• отримання механічної енергії у всіляких електродвигунах,
• отримання теплової енергії в нагрівальних приладах, електропечах, при електрозварюванні,
• отримання світлової енергії в освітлювальних та сигнальних приладах,
• збудження електромагнітних коливань високої частоти, надвисокої частоти та радіохвиль,
• отримання звуку,
• отримання різних речовин шляхом електролізу, заряджання електричних акумуляторів. Тут електромагнітна енергія перетворюється на хімічну,
• створення магнітного поля (в електромагнітах).

Використання електричного струму в медицині

• діагностика - біоструми здорових та хворих органів різні, при цьому буває можливо визначити хворобу, її причини та призначити лікування. Розділ фізіології, що вивчає електричні явища в організмі, називається електрофізіологія.
  • Електроенцефалографія – метод дослідження функціонального стану головного мозку.
  • Електрокардіографія - методика реєстрації та дослідження електричних полів під час роботи серця.
  • Електрогастрографія – метод дослідження моторної діяльності шлунка.
  • Електроміографія – метод дослідження біоелектричних потенціалів, що виникають у скелетних м'язах.
• Лікування та реанімація: електростимуляція певних областей головного мозку; лікування хвороби Паркінсона та епілепсії, також для електрофорезу. Водій ритму, що стимулює серцевий м'яз імпульсним струмом, використовують при брадикардії та інших серцевих аритміях.

Електробезпека

Включає правові, соціально-економічні, організаційно-технічні, санітарно-гігієнічні, лікувально-профілактичні, реабілітаційні та інші заходи. Правила електробезпеки регламентуються правовими та технічними документами, нормативно-технічною базою. Знання основ електробезпеки є обов'язковим для персоналу, що обслуговує електроустановки та електрообладнання. Тіло людини є провідником електричного струму. Опір людини при сухій та непошкодженій шкірі коливається від 3 до 100 кОм.

Струм, пропущений через організм людини або тварини, робить такі дії:

• термічне (опіки, нагрівання та пошкодження кровоносних судин);
• електролітичне (розкладання крові, порушення фізико-хімічного складу);
• біологічне (подразнення та збудження тканин організму, судоми)
• механічне (розрив кровоносних судин під впливом тиску пари, отриманого нагріванням струмом крові)

Основним фактором, що зумовлює результат ураження струмом, є величина струму, що проходить через тіло людини. По техніці безпеки електричний струм класифікується так:

• безпечнимвважається струм, тривале проходження якого через організм людини не завдає йому шкоди і не викликає жодних відчуттів, його величина не перевищує 50 мкА (змінний струм 50 Гц) та 100 мкА постійного струму;
• мінімально відчутнийлюдиною змінний струм становить близько 0,6-1,5 мА (змінний струм 50 Гц) та 5-7 мА постійного струму;
• пороговим невідпускнимназивається мінімальний струм такої сили, за якої людина вже нездатна зусиллям волі відірвати руки від струмовідної частини. Для змінного струму це близько 10-15 мА, для постійного - 50-80 мА;
• фібриляційним порогомназивається сила змінного струму (50 Гц) близько 100 мА і 300 мА постійного струму, вплив якого довше 0,5 с з великою ймовірністю викликає фібриляцію серцевих м'язів. Цей поріг водночас вважається умовно смертельним для людини.

У Росії, відповідно до Правил технічної експлуатації електроустановок споживачів та Правил з охорони праці при експлуатації електроустановок, встановлено 5 кваліфікаційних груп з електробезпеки залежно від кваліфікації та стажу працівника та напруги електроустановок.

Як пояснити дитині, що таке електрику, якщо я сам цього не розумію?

Svetlana52

Можна дуже просто і наочно показати що така електрика і як вона виходить, потрібен для цього ліхтарик, який працює від батарейки або маленька лампа від ліхтарика - завдання отримати електрику, а саме, щоб лампочка запалилася. Для цього візьмемо бульбу картоплі та два дроти мідну та оцинковану і встромляємо до картоплі – використовуємо як батарейку – на мідному кінці плюс, на оцинкованому мінус – акуратно приєднуємо до ліхтарика, або лампочці – повинна запалитись. Щоб напруга стала вищою, можна послідовно з'єднати кілька картоплин. Проводити такі досліди з дитиною цікаво і Вам теж, думаю, принесе задоволення.

Ракитин Сергій

Найпростіша аналогія - з водопровідними трубами, якими тече гаряча вода. Насос тисне на воду, створюючи тиск – аналогом його буде напруга в електромережі, аналогом струму – потік води, аналог електричного опору – діаметр труби. Тобто. якщо труба тонка (великий електричний опір), то струмінь води буде теж тонким (маленький струм), щоб набрати відро води (отримати електричну потужність) через тонку трубу потрібен великий напір (велика напруга) (тому високовольтні дроти порівняно тонкі, низьковольтні - товсті, хоча передається з них однакова потужність).

Ну а чому вода гаряча - це щоб дитина зрозуміла, що електричний струм може обпалити не гірше окропу, а от якщо надіти товсту гумову рукавичку (діелектрик), то ні гаряча вода, ні струм вас уже не обпалять. Ну от якось так (хіба що ще - в трубах переміщуються молекули води, в електричних проводах - електрони, заряджені частинки атомів металу, з якого ці проводи зроблені, в інших матеріалах, типу гуми, електрони міцно сидять всередині атомів, рухатися не можуть, тому струм такі речовини не проводять).

Inna beseder

Щойно хотіла поставити запитання "Що така електрика?" і потрапила сюди. Знаю точно, що ніхто досі не знає, як так відбувається, що коли в одному місці включають рубильник, то в іншому (за сотні кілометрів) миттєво спалахує лампочка. Що саме біжить по дротах? Що являє собою струм? А як його можна дослідити, якщо він б'ється зараза))?

А дитині сам механізм цього процесу можна показати і на картоплі, як порадили у Кращій відповіді. Але зі мною такий номер не пройде!

Volck-79

Дивлячись скільки йому років. Якщо 12-14 і він ні бельмеса не розуміє, то, даруйте, пізно і безнадійно. Ну, а якщо років п'ять чи вісім (наприклад) - розтлумачте, що всі ці штучки (дірочки, дроти, всякі інші красиві предмети) здорово кусаються, особливо якщо їх чіпати, лизати, у що-небудь засовувати, або навпаки в них пальчики пхати.

Анфо-анфо

Моїй доньці – 3 роки. Свого часу я їй просто сказала, що це небезпечно, і в розетки вона тепер не лізе. А пізніше поясню, що електрика – це така енергія, яка дає світло, від якої працює телевізор, комп'ютер та інша техніка. Коли стане школяркою, вивчить на фізиці докладніше.

Ynkinamoy

знаєте багато способів пояснити дитині що це не можна, що це небезпечно, я думаю що дитину треба вчити цьому, показувати на ризетку і каже не можна ва ва буде. б дитина не змогла засунути туди палець або щось метталічне, ну найкраще і пропки застосовувати і вчити що це буде боля ва ва, що не можна це робити що це дуже погано що будуть мамі татові погано якщо він буде це робити, довести до дитини що не можна цього робити, і користуйтеся пропками. все буде добре

Ksi makarova

Зараз "століття просунутого інтернету", задайте питання будь-якому пошуковику, можна навіть з формулюванням "як пояснити дитині що таке електрику"))

Я відповідаючи на каверзні питання підростаючого сина, встигла таким чином безліч тем вивчити – і дитині добре, і корисно батькам.

Наталія Фролова
Заняття пізнавального циклу «Електрика» для дітей 6–7 років

Завдання:

Освітні:

Узагальнити знання дітей про електричні прилади, про їхнє призначення у побуті;

познайомити з поняттями« електрика» , « електричний струм» ;

познайомитиз правилами безпечного поводження з електроприладами.

Розвиваючі:

Розвивати вміння працювати із моделями;

Розвивати прагнення до пошуково- пізнавальної діяльності;

Розвивати розумову активність, допитливість, уміння робити висновки.

Виховна:

Виховувати інтерес до пізнання навколишнього світу;

Використовувані медіа-об'єкти: вірші, ігри, фото електроприладів; електронно-освітні ресурси: презентація « Електрика» , мультфільм.

Використовуване обладнання: проектор, екран, ноутбук, Спорт інвентар: м'яч

Попередня робота: бесіди, перегляд мультфільмів Тітоньки Сови.

Словникова робота: активізувати у мові прикметники, іменники, узагальнюючі слова Формувати та збагачувати словник ( електрика, електроприлади, корито, пральна дошка)

ХІД ЗАНЯТТЯ

I. Мотивація

Звучить музика.

Вихователь: - Здрастуйте, хлопці. Сьогодні ми з вами поговоримо про електрики, про безпеку в будинку, пограємо в цікаві ігри та дізнаємося, як електриказ'являється у наших будинках.

ІІ. Вихователь: - Послухайте вірш

Дуже любимо будинок ми свій,

І затишний, і рідний.

Але не кожен би зумів

Переробити багато справ.

Потрібно вдома нам прибрати,

Приготувати, випрати,

А ще білизну погладити…

Як з усією роботою порозумітися!

І чудово, що зараз

Маємо помічників у нас.

Працю вони нам полегшують,

Час наш заощаджують.

Вихователь: - Про які помічники йдеться у вірші?

Вихователь: - А тепер давайте уявимо, що ми потрапили в часи, коли людина ще не знала нічого про електрики, а значить і про електроприладивін не знав і не думав. Але він готував собі їжу, прав білизну та прибирав свій будинок.

ІІІ. Бесіда про прилади "Що є, що було"

Вихователь: Давайте поговоримо, що допомагало господині раніше, а що зараз

Вихователь: - Що це? (На екрані слайд - корито)

ДітиКабіна: корито, дошка для прання.

Вихователь: - Правильно, це корито. Як ви думаєте, що в ньому робили?

Діти: прали

Вихователь: - А як зараз стирає ваша мама? Що їй допомагає?

Діти: пральна машина

Вихователь: - Що це таке?

Діти: віник

Вихователь: - Для чого він потрібний?

Діти: прибирати бруд, підмітати підлогу

Вихователь: - А що зараз допомагає прибирати будинок замість віника?

Діти: порохотяг

Вихователь: - Правильно. Подивіться, що тут зображено?

Діти: праска

Вихователь: - Для чого він потрібний?

Діти: прасувати білизну

Вихователь: - Подивіться яка раніше була праска. Він важкий, у нього закладали вугілля і поки вони гарячі – гладили. Подивіться яка праска стала зараз. Він легкий, зручний та швидко гладить.

Вихователь: - Що це?

Діти: піч, піч

Вихователь: - Як ви думаєте, для чого вона була потрібна?

Діти: готувати їжу, розігрівати, обігрівала будинок.

Вихователь: - Які прилади використовують у наш час замість печі?

Діти: мікрохвильова піч, електроплита, електрообігрівач

Вихователь: - Що це?

Діти: свічка

Вихователь: - Для чого вона була потрібна?

Діти: освітлювати кімнату

Вихователь: - Який прилад замінив свічку?

Діти: лампи, люстри.

Вихователь: - Молодці, впоралися із завданням. Тепер ви знаєте, скільки приладів удосконалила людина, завдяки електрики.

Вихователь: - А як ви думаєте, що потрібно, щоб усі електроприлади запрацювали?

Діти: електрика, Струм, проводи

Вихователь: - Абсолютно вірно. Усе електроприлади працюють від електрики. Але, перш ніж я вам розповім, звідки з'являється електрика, Трохи розімнемося.

Вихователь: - Виходьте на килим. Вставайте у коло. Я буду називати електричний прилад, а тому, кому в руки потрапив м'яч, повідомлять, які дії він виконує (праска, фен, мікрохвильова піч, холодильник, чайник, пилосос, вентилятор). А тепер я називатиму прилад, який використовували раніше, а ви називатимете то, чим його замінили у наш час (свічка, корито, віник).

Вихователь: - Бачите, як багато електроприладів нас оточує. Вони – наші найкращі помічники. Всі вони роблять наше життя зручним та різноманітним. Без них людині було б важко. Всі ці прилади працюють від електрики.

Вихователь: - А тепер завдання таке: не повертаючи тіла, тільки крутячи головою, пошукайте навколо себе картинки із зображенням. електроприладів(Діти очима знаходять картинки і називають їх).

Вихователь: - Продовжимо розмову про електрики. Сідайте на стільці.

IV. Розповідь вихователя «ЗВІДКИ БЕРЕТЬСЯ ЕЛЕКТРИКА»

Вихователь: - А хто знає, звідки береться електрика(відповіді дітей)

Вихователь: - ЕлектричнийСтрум виробляється на великих потужних електростанціях. Щоб отримати електрика, на таких станціях використовується пара, сонячне світло, вода та вітер (показ слайдів з

Електрика, мабуть, найважливіше відкриття історія людства. Невідома раніше сила існувала завжди яскравий приклад тому – блискавка. Зіткнувшись із цим явищем, вчені запитували себе – звідки взялася електрика і що це таке?

Вивчення електрики тривало майже 2700 років. З того самого моменту, коли стародавній філософ Фалес Мілетський виявив тяжіння дрібних предметів бурштином, потертим об шматочок вовни. Сьогодні ми знаємо, що електрика передається електронами – маленькими «кульками», що біжать по дротах.

Експеримент: покладіть на стіл дрібні шматочки паперу, а потім візьміть просту пластикову ручку і інтенсивно потріть її об шматочок вовни або волосся. Наблизивши ручку до шматочків паперу, вони просто почнуть прилипати до неї. Це і є тяжіння, яке виникло внаслідок статичного заряду.

У процесі досліджень вчені задавалися питанням – звідки береться електрика, і знаходили нові джерела. У природі атмосферна електрика має статичний характер. Найдрібніші крапельки води, з яких складаються хмари, труться одна об одну. В результаті тертя накопичують заряд і зрештою розряджаються один в одного або в землю у вигляді блискавки.

Електростатична машина

Принцип її дії заснований на тому ж терті, а сучасні електростатичні машини демонструють на уроках фізики. Перша така машина з'явилася ще 1663 року. Тоді вчені помітили, що при терті скла про шовк виникає один заряд, а при терті смоли об шерсть – інший. Протилежні заряди тоді називали «скляною та смоляною електрикою». Сьогодні ми знаємо, що це позитивний (+) та негативний (-) заряди.

Накопичували ці заряди у лейденському банку. Це був перший конденсатор, який був скляною банкою, обмотаною фольгою і заповненою солоною водою. Вода накопичувала один заряд, а фольга другий. При зближенні контактів між ними проскакує іскра, являючи собою маленьку модель блискавки.

Сьогодні це звичайна батарея – джерело постійного струму. Електрострум у батареї з'являється в результаті хімічної реакції. Отримати його можна й у домашніх умовах. У склянку з оцтом опустіть простий цвях, а поряд – мідний дріт. От і все – батарейка готова. Перший гальванічний елемент створив видатний фізик Вольт. Він узяв цинкові та срібні кружечки і, чергуючи їх по черзі, переклав папірцями, промоченими в солоній воді. Проте підказкою для Вольта став експеримент професора медицини Гальвані. Вчений, вивчаючи анатомію, підвісив жаб'ячу лапку на мідному гачку, а коли доторкнувся до неї сталевим предметом лапка смикнулася. Знадобилося більше 10 років, щоб розгадати загадку, звідки з'явилася електрика, але в результаті Вольт визначив, що вона виникла в процесі взаємодії різних металів.

Генератор

Перший генератор був створений у 1831 році відомим фізиком Фарадеєм. Принцип заснований на зв'язку електрики та магнетизму. Вчений намотав на котушку провід і, коли рухав усередині котушки магніт, в обмотці з'являвся електричний струм. Той самий принцип зберігається в сучасних динамо-машинах. Такі пристрої встановлюють на переднє колесо велосипеда та підключають до фари. У корпусі знаходиться котушка, а всередині обертається постійний магніт. Сучасні промислові генератори, що працюють на електростанціях, складніші. У них постійний магніт замінили котушкою збудження, тобто електромагнітом, а в іншому працює той самий принцип, відкритий Фарадеєм.

Як згадувалося, електрика передається електронами. Для того щоб електрони почали переміщатися проводами, їм потрібна додаткова енергія. У простих генераторах вони отримують цю енергію від магнітного поля, а ось у сонячних батареях від світла. Маленькі частинки світла - фотони, що потрапляють на спеціальну матрицю, яка під впливом світла починає віддавати електрони і виникає електричний струм.

Сучасна електрика

Сьогодні без електрики важко уявити існування людства. До того ж зі зростанням технологічних потужностей одним із актуальних питаньстає – звідки брати електрику. Тому у світі будуються та працюють безліч різних електростанцій. Крім сонячні, всі інші виробляють електричний струм за допомогою генераторів, а от обертаються ці генератори завдяки різним силам.

Принцип роботи різних видів електростанцій:

• гідроелектростанція - обертання відбувається за рахунок проходження потоку води через турбіну (лопаті);
• вітряна електростанція - обертання відбувається за рахунок вітру, що розкручує лопаті пропелера;
• теплоелектростанція – спалюється паливо, нагріваючи воду та перетворюючи її на пару. У свою чергу пар під тиском проходить через турбіну і обертає лопаті, а обертання передається генератору;
• атомна електростанція – принцип той самий, як і в теплової, лише вода нагрівається не згорянням палива, а уповільненою ядерної реакцією.

Ось звідки до нашого будинку приходить електрика. Правда на своєму шляху стрімкі електрони проходять ще багато різних установок, електричних станцій і підстанцій, де перетворюється напруга, розподіляється потужність та ін. подих вітру, вогню. При цьому обов'язково потрібно попередити, що електричний струм небезпечний і не прощає витівок, тому від розеток краще триматися подалі.

Нуль

У звичайній розетці є 2 контакти - фаза і нуль. Звідки береться нуль в електриці, якщо плюс та мінус є змінними фазами? Кожен генератор на електростанції має 3 обмотки, і в кожній генерується окрема фаза. Фази позначають латинськими літерами А, В і С. Кінці всіх 3 обмоток замкнуті, а другі кінці - джерела фаз. Точка замикання обмоток і є банкрутом. Таким чином, струм від будь-якої обмоток, що проходить через навантаження, повертається в нульову точку. Додатково в щитовій оселі нуль заземляється, а схема називається «глухозаземлена нейтраль». При повітряній ЛЕП нульовий провід заземляється на опорах. Це зроблено, щоб при короткому замиканні струм досяг максимуму, достатнього для спрацьовування автоматики, що відсікає. До того ж, якщо на основному нульовому дротістанеться урвища, земля спрацює як колектор і аварії не станеться.

На деяких промислових електроустановках виконується ізольована нейтраль, оскільки це передбачено експлуатаційними особливостямисамої установки. У будинках нуль обов'язково заземляється.

Шановні читачі та просто відвідувачі нашого журналу! Ми досить багато і досить докладно пишемо про те, якими засобами, за допомогою яких саме енергетичних ресурсів, виробляється електроенергія на електростанціях. Атом, газ, вода були нашими з вами «героями», хіба що до альтернативних, «зелених» варіантів ще не встигли дістатися. Але, якщо придивитися уважно, розповіді були далеко не повними. Ще жодного разу ми не намагалися детально відстежити шлях електроенергії від турбіни до наших з вами розеток, зі стежками на освітлення наших. населених пунктівта доріг, на забезпечення роботи численних насосів, що забезпечують комфорт наших з вами жител.

Дороги та стежки ці аж ніяк не прості, часом звивисті і багаторазово змінюють напрямок, але знати, як вони виглядають – обов'язок кожної культурної людини ХХІ століття. Століття, образ якого багато в чому визначає підкорена нам електроенергія, яку ми навчилися перетворювати так, щоб були задоволені всі наші потреби – як у промисловості, так і в приватному користуванні. Струм у проводах ліній електропередач і струм в батарейках наших гаджетів – дуже різні струми, але вони залишаються все тією ж електрикою. Які зусилля доводиться докладати електроенергетикам, інженерам, щоб забезпечити найпотужніші струми сталеплавильних заводів і маленькі, крихітні струми, наприклад, наручного годинника? Скільки роботи доводиться робити всім тим, хто підтримує систему перетворень, передачі та розподілу електроенергії, якими такими методами забезпечена стабільність цієї системи? Чим «Системний Оператор» відрізняється від «Федеральної Мережевої Компанії», чому обидві ці компанії були, є і будуть у Росії не приватними, а державними?

Запитань дуже багато, відповіді на них треба знати, щоб більш менш уявляти, навіщо нам так багато енергетиків і чим вони, грубо кажучи, займаються? Ми настільки звикли, що з електрикою в будинках і в містах все в повному порядку, що про електроінженерів згадуємо лише тоді, коли щось раптом перестає працювати, коли ми випадаємо із зони звичного рівня комфорту. Темно і холодно – ось тільки тоді ми з вами й говоримо про енергетики, причому говоримо такі слова, які ми друкувати точно не будемо.

Ми впевнені, що нам відверто пощастило – взятися за цю не просту, потрібну та ще й величезну тему погодився справжній професіонал. Просимо любити та шанувати – Дмитро Таланов, Інженер з великої літери. Знаєте, є така країна – Фінляндія, в якій звання інженера настільки значуще, що свого часу щороку видавався каталог із переліком фахівців, які його мають. Хотілося б, щоб і в Росії колись з'явилася така славна традиція, благо в наш електронно-інтернетний вік завести такий каталог, що щорічно оновлюється, набагато простіше.

Стаття, яку ми пропонуємо до вашої уваги по інженерному коротка, точна і ємна. Звичайно, про все, що написав Дмитро, можна розповісти набагато докладніше, і свого часу наш журнал розпочав цикл статей про те, як у ХІХ столітті відбувалося підкорення електрики.

Георг Ом, Генріх Герц, Андре-Марі Ампер, Алессандро Вольт, Джеймс Ватт, Фарадей, Якобі, Ленц, Грам, Фонтен, Лодигін, Доліво-Добровольський, Тесла, Яблучків, Депре, Едісон, Максвелл, брати Весиси і брати Сімен – в історії електрики багато славних імен, гідних того, щоб ми про них пам'ятали. Загалом, якщо комусь хочеться пригадати подробиці того, як усе починалося, ласкаво просимо, а стаття Дмитра – початок зовсім іншої історії. Дуже сподіваємося, що вона вам сподобається, а продовження статей Дмитра Таланова ми побачимо найближчим часом.

Шановного Дмитра від себе особисто – з дебютом, до всіх читачів прохання – не скупіться на коментарі!

Що таке електричний струм, звідки він береться і як дістається наших будинків?

Для чого нам електроенергія і наскільки вона допомагає нам жити, може дізнатися кожен, обвівши критичним поглядом своє житло та місце роботи.

Перше, що впадає у вічі, це освітлення. І вірно, без нього навіть 8-годинний робочий день перетворився б на муку. Добиратися до роботи в багатьох мегаполісах і так невелике щастя, а якщо це доведеться робити в темряві? А взимку так і в обидва кінці! Газові ліхтарі допоможуть на головних магістралях, але трохи звернув убік, і не видно ні зги. Можна легко провалитися у підвал чи яму. А за містом на природі, що освітлюється лише світлом зірок?

Нічний світ вулиці, Фото: pixabay.com

Видаляти спеку з офісів, куди важко дістався, без електрики теж нема чим. Можна, звичайно, відкрити вікна і обв'язати голову мокрим рушником, але чи це допоможе. Насосам, що гойдають воду, теж потрібна електрика, або доведеться регулярно ходити з відром на ручну колонку.

Кава в офісі? Забудьте! Тільки якщо всім відразу і не часто, щоб дим від вугілля, що згоряє, не отруїв робочу атмосферу. Або за додатковий гріш отримувати із сусіднього корчми.

Надіслати листа до сусіднього офісу? Треба взяти папір, написати листа від руки, потім ніжками віднести його. На інший кінець міста? Викликаємо кур'єра. В іншу країну? А ви знаєте, скільки це буде коштувати? До того ж на відповідь не чекайте раніше півроку з сусідніх країн і від року до п'яти через океан.

Повернулися додому, треба запалити свічки. Читати при них – мука для очей, тому доведеться зайнятися чимось іншим. А чим? ТБ немає, комп'ютерів немає, смартфонів – і тих немає, бо нема чим їх запитати. Лежи на лавці і дивись у стелю! Хоча народжуваність точно збільшиться.

До цього слід додати, що всі пластмаси і добрива зараз отримують з природного газу на заводах, де крутяться тисячі моторів, що рухаються все тією ж електрикою. Звідси список доступних добрив сильно коротшає до тих, які можна приготувати з природної сировини в чанах, розмішуючи в них отрути жижу лопатками з ручним, водяним або паровим приводом. Як результат, сильно стискається обсяг вироблених продуктів.

Про пластмаси – забудьте! Ебоніт – наше найвище щастя із довгого списку. А з металів найдоступнішим стає чавун. З медицини на сцену в якості головної зброї знову виступають стетоскоп і скальпель, що швидко іржавіє. Решта канет у Лету.

Продовжувати можна довго, але ідея має бути вже зрозумілою. Нам потрібна електрика. Ми можемо вижити без нього, але що це за життя! То звідки ж з'явилася ця чарівна електрика?

Відкриття електрики

Всі ми знаємо фізичну істину, що ніщо нікуди безслідно не зникає, а лише переходить із одного стану в інший. З цією істиною зіткнувся грецький філософ Фалес Мілетський у VII столітті до н. е. виявивши електрику як вид енергії, натираючи шматок бурштину вовною. Частина механічної енергії при цьому перейшла в електричну та бурштин (на давньогрецькому «електрон») електризувався, тобто набув властивостей притягувати легкі предмети.

Цей вид електрики зараз називають статичним, і він знайшов собі широке застосування, зокрема в системах очищення газів електростанціях. Але в Стародавній Греції йому не знайшлося застосування і, якби Фалес Мілетський не залишив після себе записів про свої експерименти, ми б ніколи не дізналися, хто був той перший мислитель, який загострив свою увагу на вигляді енергії, яка є чи не найчистішою серед усіх , з якими ми знайомі до сьогодні. Нею також найзручніше керувати.

Сам термін «електрика» – тобто «бурштинове» – ввів у вжиток Вільям Гілберт у 1600 році. З того часу з електрикою починають широко експериментувати, намагаючись розгадати його природу.

Як результат, з 1600 по 1747 роки пішла низка захоплюючих відкриттів і з'явилася перша теорія електрики, створена американцем Бенджаміном Франкліном. Він ввів поняття позитивного та негативного заряду, винайшов блискавковідведення і за його допомогою довів електричну природу блискавок.

Далі в 1785 відбувається відкриття закону Кулона, а в 1800 році італієць Вольта винаходить гальванічний елемент (перше джерело постійного струму, попередник нинішніх батарей і акумуляторів), що являв собою стовп з цинкових і срібних кружечків, розділених змоченою в підмолозі. З появою цього, стабільного на ті часи, джерела електрики нові та найважливіші відкриття швидко йдуть одне за одним.

Майкл Фарадей читає різдвяну лекцію в Королівському інституті. Фрагмент літографії, Фото: republic.ru

У 1820 році датський фізик Ерстед виявив електромагнітну взаємодію: замикаючи та розмикаючи ланцюг із постійним струмом, він помітив циклічні коливання стрілки компаса, розташованої поблизу провідника. А 1821 року французький фізик Ампер відкрив, що навколо провідника зі змінним електричним струмом утворюється змінне електромагнітне поле. Це дозволило вже Майклу Фарадею в 1831 відкрити електромагнітну індукцію, описати рівняннями електричне і магнітне поле і створити перший електрогенератор змінного струму. Фарадей всував котушку з проводом у намагнічений сердечник і в результаті в обмотці котушки з'являвся електричний струм. Фарадей також вигадав перший електродвигун - провідник з електричним струмом, що обертається навколо постійного магніту.

Усіх учасників «перегони за електрикою» неможливо згадати у цій статті, але результатом їх зусиль стала доведена експериментом теорія, яка детально описує електрику та магнетизм, відповідно до якої ми виробляємо зараз все, що вимагає електрики для свого функціонування.

Постійний чи змінний струм?

Наприкінці 1880-х років, ще до появи світових стандартів на виробництво, розподіл та споживання промислової електроенергії, вибухнула битва між прихильниками використання постійного та змінного струму. На чолі армій, що протистоять один одному, стали Тесла і Едісон.

Обидва були талановитими винахідниками. Хіба що Едісон мав набагато більше розвиненими здібностямидо бізнесу і на момент початку «війни» встиг запатентувати безліч технічних рішень, у яких використовувався постійний струм (у той час у США постійний струм був стандартом за замовчуванням; постійним називається струм, напрямок якого не змінюється за часом).

Але була одна проблема: у ті часи постійний струм було дуже важко трансформувати у вищу чи нижчу напругу. Адже якщо сьогодні ми отримуємо електроенергію напругою 240 вольт, а наш телефон вимагає 5 вольт, ми встромляємо в розетку універсальну коробочку, яка перетворює будь-що в будь-якому потрібному нам діапазоні, використовуючи сучасні транзистори, керовані крихітними логічними схемамиз витонченим програмним забезпеченням. А що можна було зробити тоді, коли до винаходу найпримітивніших транзисторів залишалося ще 70 років? І якщо за умовами електричних втрат потрібно підвищити напругу до 100'000 вольт, щоб доставити електроенергію на відстань 100 або 200 кілометрів, будь-які стовпи Вольта і примітивні генератори постійного струму виявлялися безсилими.

Розуміючи це, Тесла виступав за змінний струм, трансформація якого в будь-які рівні напруги не становила труднощів і в ті часи (змінним вважається струм, величина та напрямок якого періодично змінюються з часом навіть при незмінному опорі цьому струму; при частоті мережі 50Гц це відбувається 50 разів за секунду). Едісон, не бажаючи втрачати патентні відрахування собі, розгорнув кампанію з дискредитації змінного струму. Він запевняв, що цей вид струму особливо небезпечний для всього живого, і на доказ публічно вбивав бродячих кішок і собак, прикладаючи до них електроди, з'єднані з джерелом змінного струму.

Едісон програв битву, коли Тесла запропонував за 399'000 доларів висвітлити все місто Буффало проти пропозиції Едісона зробити те саме за 554'000 доларів. У день, коли місто висвітлилося електрикою, отриманою від станції, розташованої біля Ніагарського водоспаду і виробляє саме змінний струм, компанія General Electricвикинула постійний струм із розгляду у своїх майбутніх бізнес-проектах, повністю підтримавши своїм впливом та грошима змінний струм.

Томас Едісон (США), Рис.: cdn.redshift.autodesk.com

Може здатися, що змінний струм назавжди завоював світ. Однак у нього є спадкові болячки, що ростуть із самого факту змінності. Насамперед це електричні втрати, пов'язані з втратами індуктивної складової проводів ЛЕП, які використовуються для передачі електроенергії на великі відстані. Ці втрати в 10-20 разів перевищують можливі втрати в тих же ЛЕП у разі протікання по них постійного струму. Плюс позначається підвищена складність синхронізації вузлів енергосистеми (для більшого розуміння, скажімо, окремих міст), адже для цього потрібно не тільки вирівняти напруги вузлів, а й їх фазу, бо змінний струм є хвилею синусоїди.

Звідси видно і значно більшу прихильність до «хитанням» вузлів по відношенню до один одному, коли напруга-частота починають змінюватися вгору-вниз, на що звичайний споживач звертає увагу, коли в квартирі блимає світло. Зазвичай це провісник кінця спільної роботи вузлів: зв'язки між ними рвуться і якісь вузли виявляються з дефіцитом енергії, що веде до зниження в них частоти (тобто зниження швидкості обертання тих же електродвигунів і вентиляторів), а якісь з надлишком енергії, що призводить до небезпечного підвищення напруги по всьому вузлу, включаючи наші розетки з підключеними до них пристроями. А при досить великій довжині ЛЕП, що, наприклад, критично для РФ, починають проявлятися й інші ефекти, що псують настрій електрикам. Не вдаючись у деталі, можна вказати, що передавати електроенергію змінного струму проводами на наддалекі відстані стає важко, а іноді й неможливо. Для відомості, довжина хвилі частотою 50 Гц становить 6000 км, і при наближенні до половини цієї довжини – 3000 км – починають позначатися ефекти хвиль, що біжать, і ефекти, пов'язані з резонансом.

Ці ефекти відсутні під час використання постійного струму. Отже, підвищується стабільність роботи енергосистеми загалом. Беручи до уваги, а також те, що комп'ютери, світлодіоди, сонячні панелі, Акумулятори та багато іншого використовують для своєї роботи саме постійний струм, можна укласти: війна з постійним струмом ще не програно. Сучасним перетворювачам постійного струму на будь-які потужності і напруги, що використовуються сьогодні, залишилося зовсім небагато, щоб зрівнятися в ціні зі звичними людству трансформаторами змінного струму. Після чого, мабуть, розпочнеться тріумфальна хода планетою вже постійного струму.