Привет, ребята, я Борис с Теории Интересного. В этой статье мы поговорим о том, как работает электричество. Это очень важная информация для любого инженера, поэтому мы расскажем об основных моментах, которые вам нужно знать. Итак, давайте начнем с самого начала, а для этого нам нужно разобраться в строении атома.
Строение атома
Все, включая вас, состоит из атомов. Все материалы, которые мы используем, состоят из атомов, просто эти материалы отличаются друг от друга, потому что атомы, из которых они состоят, немного отличаются по структуре. Атомы состоят из трех частиц, две из которых находятся внутри ядра, а третья — снаружи. В центре атома находится ядро. Внутри ядра находятся нейтроны, которые не имеют заряда, а также протоны, которые заряжены положительно. Нейтроны и протоны намного тяжелее электронов, поэтому они остаются внутри ядра.
Электроны и орбитали
Вокруг ядра расположены различные слои орбитальных оболочек. Это своего рода траектории движения электронов. Электроны движутся по этим траекториям подобно тому, как спутник вращается вокруг нашей планеты, только со скоростью, близкой к скорости света. Электроны заряжены отрицательно и притягиваются к положительно заряженным протонам.
Электроны вращаются вокруг ядра по орбитальным оболочкам, и на каждой из них может находиться определённое количество электронов. Количество протонов, нейтронов и электронов в атоме определяет, из какого материала он состоит. Атомы очень прочно удерживают свои электроны, но в некоторых материалах эта связь прочнее, чем в других. Внешняя оболочка называется валентной, и в ней у некоторых материалов есть слабо связанные электроны, которые могут переходить к другим атомам.
Проводники и изоляторы
Атомы, способные проводить электроны, называются проводниками, и большинство металлов являются проводниками. С другой стороны, атомы, у которых нет свободных электронов и которые не могут передавать электроны другим атомам, называются изоляторами. К таким веществам относятся стекло и резина. Теперь мы можем комбинировать эти материалы, чтобы безопасно использовать электричество: в центре будет проводник, по которому будут двигаться электроны, а вокруг него — изолятор, который ограничит направление их движения, то есть они не попадут в нас, что обеспечит нашу безопасность.
Свободные электроны и замкнутая цепь
Если мы заглянем внутрь медного кабеля и посмотрим на свободные электроны, окружающие ядро атома меди, то увидим, что они могут переходить к другим атомам, но это происходит хаотично, в любом направлении. Если мы соединим медный кабель с замкнутой цепью и источником питания, например с батареей, то под действием напряжения электроны начнут двигаться в одном направлении, пытаясь вернуться к другому полюсу батареи.
Когда я говорю «цепь», я имею в виду путь, по которому электроны могут двигаться между двумя полюсами источника питания — положительным и отрицательным. Таким образом, мы можем добавить на их путь препятствия, например лампочки, и тогда электронам придется пройти через них, чтобы добраться до другого полюса. Таким образом, мы можем использовать это для создания таких явлений, как свет. Цепь может быть разомкнутой или замкнутой. В замкнутой цепи электроны могут свободно перемещаться. В разомкнутой цепи электроны не могут перемещаться.
Напряжение, вольт и работа
Напряжение — это сила, с которой электроны движутся в цепи. Это как давление в водопроводной трубе. Чем выше давление, тем больше воды может пройти. Чем выше напряжение, тем больше электронов может пройти.
Вольт и джоуль на кулон
Вольт — это джоуль на кулон, а джоуль — это единица измерения энергии или работы, а кулон — это количество электронов, прошедших через проводник. Таким образом, девятивольтовая батарея может обеспечить девять джоулей энергии в виде работы или тепла на каждую группу электронов, перемещающихся с одной стороны батареи на другую.
В этом случае поток электронов движется от одной стороны батареи через светодиодную лампочку, которая излучает свет, а затем электроны движутся к другой стороне батареи. Таким образом, лампочка излучает девять джоулей света и тепла.
Ток и ампер
Ток — это движение электронов. Когда цепь замкнута, электроны могут двигаться, а когда цепь разомкнута, движение электронов прекращается. Мы можем измерить поток электронов так же, как измеряем поток воды в трубе.
Для измерения потока электронов мы используем единицу измерения ампер. Один ампер означает один кулон в секунду, а один кулон — это группа электронов. Группа невероятно велика и составляет приблизительно 6 242 000 000 000 электронов. И это должно пройти за одну секунду, чтобы оно равнялось одному амперу. Вот почему электроны сгруппированы вместе и называются просто амперами, чтобы инженерам было проще.
Сопротивление
Сопротивление — это препятствие для движения электронов в цепи. Провод, по которому движутся электроны, естественно, имеет некоторое сопротивление. Чем длиннее провод, тем больше сопротивление. Чем толще провод, тем меньше сопротивление. Сопротивление потоку электронов у разных материалов разное, и температура материала также может влиять на сопротивление потоку электронов.
В электрических цепях используются специально разработанные компоненты, называемые резисторами, которые намеренно ограничивают поток электронов. Это делается либо для защиты других компонентов от проходящих через них 2-миллиардных электронов, либо для создания света и тепла, как в лампочке накаливания. Сопротивление возникает при столкновении электронов с атомами. Количество столкновений зависит от материала. У меди очень низкая частота столкновений, но у других материалов, например железа, столкновений гораздо больше.
При столкновении атомов выделяется тепло, и при определенной температуре материал начинает излучать свет и тепло. Так работают лампы накаливания.
Магнитные поля и катушки
Когда провод наматывают на катушку, при прохождении через него тока возникает магнитное поле. Кабель сам по себе создает электромагнитное поле. Катушка лишь усиливает его. При наматывании провода на катушку магнитное поле становится настолько сильным, что начинает воздействовать на электроны внутри провода.
Усиление магнитного поля
Мы можем увеличить силу магнитного поля, просто намотав катушки на железный сердечник. Мы также можем увеличить количество витков в катушках и силу тока, проходящего по цепи. Так работают электромагниты, и на этом принципе основаны асинхронные двигатели. Если хотите узнать больше об асинхронных двигателях, мы уже рассказывали об этом в другом видео, ссылка на него есть на экране.
Когда магнитное поле проходит через катушку с проводом, в этом проводе возникает напряжение, вызванное электродвижущей силой, которая толкает электроны в определенном направлении. Если провод соединен в цепь, тогда эта электродвижущая сила вызовет протекание тока — это основа работы генераторов переменного тока, и электричество в ваших настенных розетках в вашем доме вырабатывается очень похожим образом.
Трансформатор
Теперь мы можем объединить все аспекты, которые мы только что рассмотрели, и когда мы сделаем это, мы увидим, что мы можем использовать одну катушку для выработки электроэнергии, а затем мы можем разместить две другие катушки в непосредственной близости друг от друга, но не касаясь, и это создаст эффект трансформатор. Трансформатор индуцирует напряжение в первичной катушке, которое передается во вторичную катушку, и это заставляет электроны двигаться, если вторичная катушка замкнута. Важная особенность трансформатора заключается в том, что мы можем увеличивать или уменьшать напряжение между первичной и вторичной катушками, просто изменяя количество витков в каждой из них.
Конденсатор
Еще кое-что, о чем я хочу вкратце упомянуть, — это конденсатор. Конденсатор заставляет положительные и отрицательные заряды разделяться между двумя пластинами, когда он подключен к источнику питания. Это приводит к накоплению электронов в электрическом поле.
При отключении или прерывании подачи питания эти заряды высвобождаются, поднимаются вверх и снова соединяются. Таким образом создается источник питания, но он работает всего несколько секунд, пока заряды снова не соединятся. Он немного похож на батарейку, но конденсаторы очень распространены и есть почти на каждой печатной плате.
Переменный и постоянный ток
Итак, последнее, о чем я хочу рассказать в этом видео, — это о том, что существует два типа электрического тока: переменный и постоянный.
Переменный ток
Переменный ток просто означает, что ток течет взад и вперед в цепи, поскольку клеммы постоянно меняются местами. Это немного похоже на морской прилив. Он входит и выходит, входит и выходит, входит и выходит, так что он постоянно меняет направление. Переменный ток является наиболее распространенным источником питания, и розетки в ваших домах, зданиях, школах, на рабочих местах и так далее будут обеспечивать подачу переменного тока.
Постоянный ток
С другой стороны, у нас есть постоянный ток, или DC, и это означает, что ток течет только в одном направлении. Он не переменный. Такой ток вырабатывается аккумуляторами, и почти все ваши портативные устройства работают на нем.
Мы можем преобразовывать переменный ток в постоянный и наоборот с помощью силовой электроники. Вот так мы заряжаем и питаем энергией небольшие устройства. Точно так же можно использовать солнечные панели для обеспечения энергией наших домов, потому что солнечные панели вырабатывают постоянный ток, а нашим домам нужен переменный ток. Поэтому нам нужно преобразовывать постоянный ток в переменный, чтобы его можно было использовать. У переменного и постоянного тока есть свои плюсы и минусы, но мы обязательно рассмотрим их в одной из статей. Это более сложная тема.