 |
|
|
Научно-популярный образовательный ресурс для юных и начинающих радиолюбителей - Popular science educational resource for young and novice hams Основы электричества, учебные материалы и опыт профессионалов - Basics of electricity, educational materials and professional experience |
 |
|
 |
|
|
|
|
JUNIOR RADIO 
|
Разность потенциалов
Если имеет место избыток электронов (отрицательный заряд) на одном конце проводника и дефицит электронов (положительный заряд) на другом конце проводника, то по проводнику течет ток. Ток будет течь до тех пор, пока эти условия выполняются. Источник, который создает избыток электронов на одном конце проводника и дефицит электронов на другом конце, характеризуется потенциалом. Потенциал — это способность источника выполнять электрическую работу.
где
Возьмем два обыкновенных стакана. Посмотрим случаи вытекания одного и того же количества воды, падающей с различной высоты. И здесь можно задать вопрос: почему во втором стакане энергия капли больше? Ответ прост. Энергия обусловлена земным гравитационным полем. Когда частицы падают, они выделяют энергию, чем выше тем больше.
Таким же образом энергия электронов связана с электрическим полем, созданным источником тока. Это поле действует на каждый электрон так, что электроны при движении выделяют энергию. Но в то время как частицы воды падают всегда к центру земли, электроны „падают" от одного полюса источника тока к другому.
Перенос электричества
Теперь нашим размышлениям придадим товарный вид. Единица измерения электрического напряжения называется
(обозначается В или V)
Определение:
Напряжение - это работа по переносу единицы количества электричества, из одной точки в другую.
1 мВ=0,001 В (тысячная вольта)
1 мкВ=0,000001 В (миллионная вольта)
В электротехнике принято напряжение обозначать буквой U, а работу или энергию — буквой А (обратите внимание, что в технике работа и энергия — одно и то же понятие). Таким образом, вышеприведенное равенство математически можно представить формулой:
Напряжение возникает при удалении электронов со своих орбит в атомах. Таким образом, любой вид энергии, отрывающий электроны от атомов, может быть использован для получения напряжения. Но надо помнить, что энергия никогда сама по себе не возникает. Имеет место просто переход энергии из одной формы в другую. Источник напряжения — это не просто источник электрической энергии. Скорее это способ преобразования других видов энергии в электрическую.
Источники напряжения.
Существует шесть основных источников напряжения
Трение, магнетизм, химические реакции, свет, тепло и давление.
Трение- является самым простым и старым способом получения электричества.
Свет -Когда поверхность фоточувствительного материала освещается светом, происходит выбивание электронов с орбит атомов, расположенных на поверхности материала. Это происходит за счет энергии света. Каждая отдельная ячейка вырабатывает небольшое напряжение. Для получения пригодных к использованию напряжений и токов необходимо объединить вместе много солнечных элементов. Высокая стоимость ограничивает их широкое применение.
Тепло -При нагревании один металл легко отдает свободные электроны, которые передаются другому металлу. Таким образом, отдающий приобретает положительный заряд, а принимающий - отрицательный. Появляется небольшая разность потенциалов (напряжение).
Давление -При приложении к некоторым кристаллическим материалам давления, возникает небольшое напряжение. Сначала отрицательные и положительные заряды хаотично распределены в кристаллическом материале и суммарный заряд не может быть обнаружен. При приложении давления, электроны покидают одну сторону материала и скапливаются на другой. Заряд возникает только при приложенном давлении. Когда давление убирают, заряд опять распределяется равномерно по объему материала.
В настоящее время основными методами получения электрической энергии являются магнетизм и использование химических реакций.
Химические источники напряжения.
Профессор Луиджи Гальвани провел электрофизиологические опыты и пришел к выводу об одинаковом эффекте сокращения мышц лягушки от физиологического и электрического воздействия.
Луиджи Гальвани
(1737-1798)
Итальянский физиолог, профессор анатомии
Болонского университета ,
отец электрофизиологии
Результаты поразили Александро Вольта. Его внимание привлекла одна особенность. Передача сигнала осуществлялась однородными, а затем составными проводниками. Эффект при этом был разным.
Александре Вольта
(1745—1827)
Итальянский физик, химик и физиолог.
Развил теорию лейденской банки,
сконструировал первый источник
длительного гальванического тока
В каждом металле, считал Вольта, содержится электрическая жидкость (флюид), которая, когда металл не заряжен, находится в покое и себя не проявляет. Но если соединить два различных металла, то равновесие электричества внутри них нарушится: электрическая жидкость придет в движение. При этом электрический флюид в некотором количестве перейдет из одного металла в другой, после чего равновесие вновь восстановится. Но в результате этого металлы наэлектризуются: один - положительно, другой - отрицательно.
Вольтов столб
Вольта собрал столб, который состоял из нескольких десятков круглых серебряных и цинковых пластин, положенных друг на друга. Между парами пластин были проложены картонные кружки, пропитанные соленой водой. Прикладывая к языку один из концов проволоки, он обнаружил кисловатый вкус и покалывание. В итоге Вольта изобрел новый прибор, который сначала назвал "искусственным электрическим органом", а потом "электродвижущим аппаратом". Французы позже стали называть его "гальваническим или вольтовым столбом". Как и "вольтов столб", современные химические источники состоят из нескольких элементов. Батарея — это комбинация двух или более элементов. Существует два основных типа элементов. Элементы, которые не могут быть перезаряжены, называются первичными элементами. Элементы, которые могут перезаряжаться, называются вторичными элементами. Примером первичного элемента являются сухой элемент (угольно-цинковый), щелочный, литиевый. Угольно-цинковый не является в действительности сухим. В качестве электролита он содержит влажную пасту. Уплотнитель предотвращает вытекание пасты при наклоне и переворачивании элемента. Электролитом сухого элемента является раствор хлорида аммония и двуокиси марганца. Электролит растворяет цинковый электрод (корпус элемента), оставляя в цинке избыток электронов. Щелочные элементы получили свое название потому, что в них в качестве электролита используется гидроокись калия (КОН). Внешне щелочные элементы очень похожи на угольно-цинковые.
Устройство литиевого элемента
Однако внутреннее устройство щелочного элемента значительно отличается. Литиевые элементы имеют более высокие эксплуатационные свойства благодаря литию. Литий сильно взаимодействует с водой. Конструкция литиевого элемента использует литий, двуокись марганца и перхлорат лития в органическом растворителе (вода не может быть использована). Наибольшее преимущество литиевых элементов в их исключительно долгом сроке хранения — от 5 до 10 лет. Примером вторичного элемента является кислотно-свинцовая батарея, используемая в автомобилях. Она изготовлена из шести 12-вольтовых вторичных элементов, соединенных последовательно. Каждый элемент имеет положительный электрод из двуокиси свинца и отрицательный электрод из пористого свинца. Электроды разделены пластиком или резиной и погружены в раствор электролита, состоящего из серной кислоты и дистиллированной воды.
Когда элемент разряжен, серная кислота взаимодействует с окисью свинца и пористым свинцом, превращая их в сульфат свинца, а электролит в воду. При перезарядке элемента применяется источник постоянного тока с напряжением большим, чем вырабатывает элемент. При протекании тока через элемент электроды превращаются опять в двуокись свинца и пористый свинец, а электролит опять превращается в серную кислоту и воду. Другой тип вторичных элементов — никель-кадмиевые (NiCd) элементы. Этот сухой элемент, сохраняет свой заряд длительное время и может многократно перезаряжаться. Элемент состоит из положительного и отрицательного электродов, разделителя, электролита и корпуса.
Никель-кадмиевый (NiCd) элемент
Электролитом является гидроокись калия. Корпус изготавливается из стали и плотно закрывается.
Магнетизм.
В настоящее время основным методом получения электрической энергии является магнетизм. Если проводник перемещается в магнитном поле, на его концах возникает разность потенциалов, существующая в течение всего времени перемещения относительно магнитного поля. Такое устройство называется генератор. Генератор так же может приводиться в движение нагретым паром, водой, ветром, бензиновыми и дизельными двигателями. Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (т. е. кулоновских), называют сторонними силами.
где 
Природа сторонних сил может быть разнообразной. В генераторах электростанций сторонняя сила — это сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике. Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (сокращенно ЭДС или э.д.с.). Электродвижущая сила в замкнутом контуре представляет собой отношение работы сторонних сил по перемещению заряда . Как и разность потенциалов, электродвижущую силу выражают в вольтах. Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всем контуре, а только на данном участке.
Генератор бензиновый
Запуск - ручной
Вид топлива - бензин АИ92-АИ95
Время работы на одной заправке - 14,3 ч.
Вес - 35,0 кг
Выходное напряжение - 220В
Подробнее будет рассказано дальше
Типы напряжений.
Для изображения электрических элементов (приборов, узлов, и.т.д.) умные люди придумали условные графические обозначения. Представьте сколько бы времени ушло на зарисовку генератора напряжения.
В условном виде он будет выглядеть так 
Для дальнейших шагов, возьмем еще несколько значков.
Потенциал или напряжение, подведенное к цепи, называется приложенным напряжением. Напряжение подсоединено к цепи, ток течет от отрицательного вывода источника напряжения и возвращается к положительному выводу источника напряжения. Подсоединим 12 вольтовую батарею, она дает приложенное к цепи напряжение 12 вольт.
На практике приложенное напряжение обозначают буквой Е.
При перемещении электронов по цепи они встречают сопротивление (нагрузку) и теряют энергию. Отданная энергия называется падением напряжения. В большинстве случаев энергия отдается в виде тепла. Энергия, которую теряют электроны в цепи, равна энергии, сообщаемой им источником.
Падение напряжения обозначают буквой U.
Соединение источников напряжения.
Элементы и батареи могут быть соединены вместе для увеличения напряжения. Они могут быть соединены последовательно, параллельно или последовательно-параллельно . При последовательном соединении элементов или батареи: положительный электрод первого элемента соединяется с отрицательным электродом второго элемента, положительный электрод второго элемента соединяется с отрицательным электродом третьего элемента и так далее. Общее напряжение суммируется из всех источников.
Последовательное соединение
При параллельном соединении положительные выводы соединяются друг с другом, и отрицательные выводы друг с другом. Общее напряжение равно напряжению каждого отдельного элемента или батареи. В основном, такое соединение применяется для увеличения силы тока, при неизменном напряжении.
Параллельное соединение
Заземление.
Все потенциалы являются либо положительными, либо отрицательными по отношению к земле. Земля или заземление - это термин, используемый для обозначения нулевого потенциала. Электрические цепи и приборы заземлены с помощью защитного заземления. Следовательно, между любыми двумя приборами или цепями не существует разности потенциалов. Все цепи связаны с общей точкой. Эта общая точка (нейтральная шина) соединена толстым медным проводом с медным стержнем, закопанным в землю. Заземление защищает человека от электрического поражения в случае ошибочного соединения.
Если нет заземления, на глубину 1-1,5 м можно закопать:
Защитное заземление используется и в автомобилях. Здесь в качестве земли используется шасси автомобиля. Это можно проверить, посмотрев, куда подсоединены провода от аккумулятора. Обычно отрицательный электрод прикручен болтом прямо к раме автомобиля. Эта и любая другая точка на раме автомобиля рассматривается как земля. Земля служит частью общей электрической цепи. Таким образом, земля определяется как нулевая точка, относительно которой измеряются все напряжения. Следовательно, напряжение в любой точке цепи может быть измерено по отношению к земле. Измеренное напряжение может быть положительным и отрицательным по отношению к земле. В больших корпусах электронного оборудования шасси или металлический корпус также служит землей (точкой отсчета), как и в автомобиле. В небольших электронных устройствах, которые используют пластмассовый корпус, все компоненты связаны с печатной платой. В этом случае землей является медная подложка печатной платы, которая работает как общая точка цепи.
