Электричество это просто: Электротехника для чайников | AlexGyver

Электротехника для чайников | AlexGyver

Начнем пожалуй с понятия электричества. Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля. В качестве частиц могут выступать свободные электроны металла, если ток течет по металлическому проводу, или ионы, если ток течет в газе или жидкости.

Есть ещё ток в полупроводниках, но это отдельная тема для разговора. Как пример можно привести высоковольтный трансформатор из микроволновки – сначала электроны бегут по проводам, затем ионы движутся между проводами, соответственно сначала ток идет через металл, а потом через воздух. Вещество называются проводником или полупроводником, если в нём есть частицы, способные переносить электрический заряд. Если таких частиц нет, то такое вещество называется диэлектриком, оно не проводит электричество. Заряженные частицы несут на себе электрический заряд, который измеряется обозначается q в кулонах.

Единица измерения силы тока называется Ампер и обозначается буковой I, ток величиной в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда величиной 1 Кулон за 1 секунду, то есть грубо говоря сила тока измеряется в кулонах секунду. И по сути сила тока это количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем больше заряженных частиц бежит по проводу, тем соответственно больше ток.

Чтобы заставить заряженные частицы перемещаться от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Напряжение измеряется в вольтах и обозначается буквой V или U. Чтобы получить напряжение величиной 1 Вольт нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж. Согласен, немного непонятно.

Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под действием силы тяжести вытекает через трубу. Пусть вода – это электрический заряд, высота водяного столба – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток. Точнее не скорость потока, а количество вытекающей за секунду воды. Вы понимаете, что чем выше уровень воды, тем больше будет давление внизу А чем выше давление внизу, тем больше воды вытечет через трубу, потому что скорость будет выше. . Аналогично чем выше напряжение, тем больший ток будет течь в цепи.

Зависимость между всеми тремя рассмотренными величинами в цепи постоянного тока определяет закон ома, который выражается вот такой формулой, и звучит как сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна сопротивлению. Чем больше сопротивление, тем меньше ток, и наоборот.

Добавлю ещё пару слов про сопротивление. Его можно измерить, а можно посчитать. Допустим у нас есть проводник, имеющий известную длину и площадь поперечного сечения. Квадратный, круглый, неважно. Разные вещества имеют разное удельное сопротивление, и для нашего воображаемого проводника существует вот такая формула, определяющая зависимость между длиной, площадью поперечного сечения и удельным сопротивлением.

Удельное сопротивление веществ можно найти в интернете в виде таблиц.

Можно опять же провести аналогию с водой: вода течёт по трубе, пусть труба имеет удельную шершавость. Логично предположить, что чем длиннее и уже труба, тем меньше воды будет по ней протекать за единицу времени. Видите, как всё просто? Формулу даже запоминать не нужно, достаточно представить себе трубу с водой.

Что касается измерения сопротивления, то нужен прибор, омметр. В наше время более популярны универсальные приборы – мультиметры, они измеряют и сопротивление, и ток, и напряжение, и ещё кучу всего. Давайте проведём эксперимент. Я возьму отрезок нихромовой проволоки известной длины и площади сечения, найду удельное сопротивление на сайте где я её купил и посчитаю сопротивление. Теперь этот же кусочек измерю при помощи прибора. Для такого маленького сопротивления мне придется вычесть сопротивление щупов моего прибора, которое равно 0.8 Ом. Вот так вот!

Шкала мультиметра разбита по размерам измеряемых величин, это сделано для более высокой точности измерения. Если я хочу измерить резистор с номиналом 100 кОм, я ставлю рукоятку на большее ближайшее сопротивление. В моём случае это 200 килоом. Если хочу измерить 1 килоом, то ставлю на 2 ком. Это справедливо для измерения остальных величин. То есть на шкале отложены пределы измерения, в который нужно попасть.

Давайте продолжим развлекаться с мультиметром и попробуем измерить остальные изученные величины. Возьму несколько разных источников постоянного тока. Пусть это будет блок питания на 12 вольт, юсб порт и трансформатор, который в своей молодости сделал мой дед. Напряжение на этих источниках мы можем измерить прямо сейчас, подключив вольтметр параллельно, то есть непосредственно к плюсу и к минусу источников. С напряжением всё понятно, его можно взять и измерить. А вот чтобы измерить силу тока, нужно создать электрическую цепь, по которой будет протекать ток. В электрической цепи обязательно должен быть потребитель, или нагрузка. Давайте подключим потребитель к каждому источнику. Кусочек светодиодной ленты, моторчик и резистор на (160 ом).

Давайте измерим ток, протекающий в цепях. Для этого переключаю мультиметр в режим измерения силы тока и переключаю щуп во вход для тока. Амперметр подключается в цепь последовательно измеряемому объекту. Вот схема, её тоже следует помнить и не путать с подключением вольтметра. Кстати существует такая штуковина как токовые клещи. Они позволяют измерять силу тока в цепи без подключения непосредственно к цепи. То есть не нужно отсоединять провода, просто накидываешь их на провод и они измеряют. Ну ладно, вернёмся к нашему обычному амперметру.

Итак, я измерил все токи. Теперь мы знаем, какой ток потребляется в каждой цепи. Здесь у нас светятся светодиоды, здесь крутится моторчик а здесь…. Так стоять, а че делает резистор? Он не поёт нам песни, не освещает комнату и не вращает никакой механизм. Так на что он тратит целых 90 миллиампер? Так не пойдёт, давайте разбираться. Слышь ты! Ау, он горячий! Так вот куда расходуется энергия! А можно ли как-то посчитать, что здесь за энергия? Оказывается – можно. Закон, описывающий тепловое действие электрического тока был открыт в 19 веке двумя учеными, Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцем. Закон назвали закон Джоуля-Ленца. Он выражается вот такой формулой, и численно показывает, сколько джоулей энергии выделяется в проводнике, в котором течёт ток, за единицу времени. Из этого закона можно найти мощность, которая выделяется на этом проводнике, мощность обозначается английской буквой Р и измеряется в ваттах.

Таким образом у меня на столе электрическая мощность идёт на освещение, на совершение механической работы и на нагрев окружающего воздуха. Кстати именно на этом принципе работают различные нагреватели, электрочайники, фены, паяльники и прочее. Там везде стоит тоненькая спираль, которая нагревается под действием тока.

Этот момент стоит учитывать при подведении проводов к нагрузке, то есть прокладка проводки к розеткам по квартире тоже входит в это понятие. Если вы возьмете для подведения к розетке слишком тонкий провод и подключите в эту розетку компьютер, чайник и микроволновку, то провод может нагреться вплоть до возникновения пожара. Поэтому есть вот такая табличка, которая связывает площадь поперечного сечения проводов с максимальной мощностью, которая по этим проводам будет идти. Если вздумаете тянуть провода – не забудьте об этом.

Также в рамках этого выпуска хотелось бы напомнить особенности параллельного и последовательного соединения потребителей тока. При последовательном соединении сила тока одинакова на всех потребителях, напряжение разделилось на части, а общее сопротивление потребителей представляет собой сумму всех сопротивлений. При параллельном соединении напряжение на всех потребителях одинаково, сила тока разделилась, а общее сопротивление вычисляется вот по такой формуле.

Из этого вытекает один очень интересный момент, который можно использовать для измерения силы тока. Допустим нужно измерить силу тока в цепи около 2 ампер. Амперметр с этой задачей не справляется, поэтому можно использовать закон ома в чистом виде. Знаем, что сила тока одинакова при последовательном соединении. Возьмём резистор с очень маленьким сопротивлением и вставим его последовательно нагрузке. Измерим на нём напряжение. Теперь, пользуясь законом ома, найдём силу тока. Как видите, она совпадает с расчётом ленты. Здесь главное помнить, что этот добавочный резистор должен быть как можно меньшего сопротивления, чтобы оказывать минимальное влияние на измерения.

Есть ещё один очень важный момент, о котором нужно знать. Все источники имеют максимальный отдаваемый ток, если этот ток превысить – источник может нагреться, выйти из строя, а в худшем случае ещё и загореться. Самый благоприятный исход это когда источник имеет защиту от перегрузки по току, в таком случае он просто отключит ток. Как мы помним из закона ома, чем меньше сопротивление, тем выше ток. То есть если взять в качестве нагрузки кусок провода, то есть замкнуть источник самого на себя, то сила тока в цепи подскочит до огромных значений, это называется короткое замыкание. Если вы помните начало выпуска, то можете провести аналогию с водой. Если подставить нулевое сопротивление в закон ома то мы получим бесконечно большой ток. На практике такое конечно не происходит, потому что источник имеет внутреннее сопротивление, которое подключено последовательно. Этот закон называется закон ома для полной цепи. Таким образом ток короткого замыкания зависит от величины внутреннего сопротивления источника.

Сейчас давайте вернёмся к максимальному току, который может выдать источник. Как я уже говорил, силу тока в цепи определяет нагрузка. Многие писали мне вк и задавали примерно вот такой вопрос, я его слегка утрирую: Саня, у меня есть блок питания на 12 вольт и 50 ампер. Если я подключу к нему маленький кусочек светодиодной ленты, она не сгорит? Нет, конечно же она не сгорит. 50 ампер – это максимальный ток, который способен выдать источник. Если ты подключишь к нему кусочек ленты, она возьмёт свои ну допустим 100 миллиампер, и все. Ток в цепи будет равен 100 миллиампер, и никто никуда не будет гореть. Другое дело, если возьмёшь километр светодиодной ленты и подключишь его к этому блоку питания, то ток там будет выше допустимого, и блок питания скорее всего перегреется и выйдет из строя. Запомните, именно потребитель определяет величину тока в цепи. Этот блок может выдать максимум 2 ампера, и когда я закорачиваю его на болтик, с болтиком ничего не происходит. А вот блоку питания это не нравится, он работает в экстремальных условиях. А вот если взять источник, способный выдать десятки ампер, такая ситуация не понравится уже болтику.

Давайте для примера произведём расчёт блока питания, который потребуется для питания известного отрезка светодиодной ленты. Итак, закупили мы у китайцев катушку светодиодной ленты и хотим запитать три метра этой самой ленты. Для начала идём на страницу товара и пытаемся найти, сколько ватт потребляет один метр ленты. Эту информацию я найти не смог, поэтому есть вот такая табличка. Смотрим, что у нас за лента. Диоды 5050, 60 штук на метр. И видим, что мощность составляет 14 ватт на метр. Я хочу 3 метра, значит мощность будет 42 ватта. Блок питания желательно брать с запасом на 30% по мощности, чтобы он не работал в критическом режиме. В итоге получаем 55 ватт. Ближайший подходящий блок питания будет на 60 ватт. Из формулы мощности выражаем силу тока и находим её, зная, что светодиоды работают при напряжении 12 вольт. Выходит, нам нужен блок с током 5 ампер. Заходим, например, на али, находим, покупаем.

Очень важно знать потребляемый ток при изготовлении всяких USB самоделок. Максимальный ток, который можно взять от USB, составляет 500 миллиампер, и его лучше не превышать.

И напоследок коротенько о технике безопасности. Здесь вы можете видеть, до каких значений электричество считается неопасным для жизни человека.

Читать онлайн «Просто электричество», Олег Фейгин – Литрес

© Фейгин О. О., 2017, текст

© ООО «Страта», 2017

* * *

Предисловие

Пожалуй, разгадка тайн электромагнетизма дала нам столько, сколько мы не получали от покорения всего, что было накоплено людьми за всю их историю. Подумайте: миллионы лет и век – каких-то сто лет, в течение которых выросла и окрепла вся электротехническая промышленность Земли! Время, в течение которого люди создали себе «электрический мир». Невозможно думать об этом без восхищения. И вместе с тем еще далеко не всё мы в этой отрасли знаем…

А. Томилин. Заклятие Фавна

Человек за многие тысячелетия своей истории проделал гигантский путь познания природы, и не последнее место в окружающих его чудесах играла «янтарная субстанция» – электричество, названное так в честь янтаря – электрона по-древнегречески. Эта окаменевшая смола, привозимая из Прибалтики по Янтарному пути, по Днепру и Бугу, поражала эллинов своей способностью притягивать мелкие частички, будучи потерта тканью или шерстью. Но должны были пройти тысячелетия, прежде чем выяснилось, что мельчайшие, еле заметные искорки от натертого янтаря ничем не отличаются по своей природе от колоссальных молниевых разрядов.

Сегодня даже малообразованного суеверного человека не пугают грозовые явления – электризация воздуха, молнии, раскаты грома, – ведь ему хотя бы понаслышке известна их природная причина. Однако и сейчас в природе электрических явлений встречаются загадочные, досконально не изученные процессы, такие как шаровая молния, молния красный призрак, молния голубая струя, призрачные спрайты, суть которых мы еще не знаем и для которых только строятся полные научные модели.

Удивительна история использования солнечного вещества на Земле, а именно так можно понимать электрическую сварку и разрезание дугой из высокотемпературной плазмы электрического разряда, открытой еще в XVIII веке русским академиком Петровым. Поражает воображение спектр применения электросварочных технологий, их влияние на развитие современной науки и техники – здесь и открытие академика Корнеева, и космические технологии, и строительство подводных городов.

Столетие назад было открыто явление сверхпроводимости, указывающее прямой путь избегания потерь при передаче электроэнергии. Путь этот непрост, ведь чтобы проводник полностью потерял свое электрическое сопротивление, его необходимо охладить до очень низких температур, а это само по себе является серьезной технической задачей. Тем не менее уже десятки лет сверхпроводники удачно используют в научных приборах и медицине.

До недавнего времени высокая стоимость сверхпроводящих материалов и необходимость сверхглубокого охлаждения сильно препятствовали их массовому применению. Ситуация существенно изменилась после открытия в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Это позволило приступить к созданию сверхпроводящих линий электропередач на основе сверхпроводников, погруженных в сравнительно дешевый жидкий азот. Уже созданы многокилометровые опытные линии, а через десятилетие прогнозируется широкое промышленное применение ВТСП-кабелей на тысячи километров линий электропередачи и сотни гигаватт передаваемой мощности.

Автор выражает глубокую признательность своим учителям и коллегам – Льву Самойловичу Палатнику, Игорю Ивановичу Фалько и Дмитрию Ивановичу Корнееву

Глава 1. Стрелы небесных громовержцев

Атмосферное электричество – грозы и земной магнетизм – едва ли не первые неразрешимые загадки природы, о которые споткнулся разум. Они долго не поддавались разгадке. Каждое время, каждая эпоха толковали наблюдаемые феномены в соответствии с накопленными знаниями. Сначала на уровне мифов, пока знаний было совсем мало.

Позже, когда фактов накопилось побольше, самовластие богов перестало удовлетворять мыслителей. Они стали пытаться объяснять природу исходя из нее самой, без помощи сверхъестественных сил. Возникли первые натурфилософские догадки. Сначала наивные, чисто спекулятивного характера. Но уже и они высоко поднимали разум человека, ставили его обладателя на одну ступень с богом.

А. Томилин. Заклятие Фавна

Наводнения, землетрясения, извержения вулканов, пожары – эти стихийные бедствия сравнительно редки по сравнению с постоянными грозами. Именно поэтому с грозами связано больше всего мифов, легенд и поверий. В самом начале изустной истории человечества гроза воспринималась как ярость некоего фантастического существа, например, гигантской птицы, хлопающей громом крыльев и сверкающей молниями глаз. Затем пришла пора человекоподобных богов, и на небесах засверкали молниями Митра, Тор, Зевс, Юпитер с множеством других сверхъестественных существ.

Так, у славян богом грома и молнии был Перун, как оплодотворяющее и карающее божество, приносящее весенние тепло, дождь и грозы, а после Крещения Руси роль небесного громовержца перешла к Илье-пророку.

Развитие науки привело к первым представлениям о сущности грозы. Греческие ученые Анаксимен и Анаксагор рассматривали явление грозы как результат сгущения воздуха в облаках. Сократ видел основную причину возникновения гроз в столкновении облаков, Демокрит – в их соединении. Эти представления были обобщены и развиты Аристотелем, считавшим, что молния и гром образуются благодаря воспламенению в облаках разнообразных горючих испарений и завихриванию их между облаками. В эпоху Средневековья представления о природе грозовых процессов не получили существенного развития.

Сегодня мы называем грозой процесс развития в атмосфере мощных электрических разрядов – молний, обычно сопровождаемых громом и связанных в большинстве случаев с укрупнением облаков и ливнеобразным выпадением осадков.

Прохождение грозы над местностью, как правило, сопровождается довольно значительными изменениями метеорологических параметров приземного слоя воздуха. Это хорошо знакомые всем нам явления: падение температуры, повышение влажности воздуха, резкое изменение атмосферного давления, а также силы и направления ветра.

Ученые-метеорологи доказали, что грозовые процессы невозможны без разделения зарядов в облаке путем их переноса воздушными потоками – конвекции. Поле конвекции в облаках распадается на несколько своеобразных ячеек.

Каждая конвективная ячейка проходит стадию зарождения, зрелости и затухания. В стадии зарождения во всей конвективной ячейке преобладают восходящие течения. Зрелая конвективная ячейка характеризуется развитием восходящих и нисходящих потоков, электрической активностью, выраженной разрядами молний и выпадением осадков.

В последнее время исследования с помощью метеоспутников и прочих орбитальных космических аппаратов показали, что в облачной оболочке тропосферы действует своеобразный ледяной генератор.

При этом подтвердилась гипотеза еще позапрошлого века о том, что электрические заряды накапливаются при соударениях кристаллов льда в виде снежинок или градин с более крупными образованиями льда в грозовых облаках. При этом мельчайшие кристаллы льда устремляются с восходящими потоками воздуха в верхнюю часть облака и многократно соударяются с другими кристаллами. При этих столкновениях мелкие кристаллы льда теряют электроны и приобретают положительный заряд. В то же время более тяжелые частицы льда обретают отрицательный заряд и опускаются в нижнюю часть облака. Таким образом создается разделение зарядов с разностью потенциалов в миллионы вольт, которая и является причиной молний. При этом каждые десять тысяч тонн облачного льда приводят к молниеносному разряду атмосферного электричества.

Большинство молний приносит к Земле отрицательный заряд, но иногда встречаются разряды и противоположной полярности. В первом случае грозы значительно богаче молниями, чем во втором. При прохождении гроз через выступы скал и остроконечные детали сооружений на земной поверхности в воздух стекает преимущественно положительный заряд. Потеря земной поверхностью положительного заряда превышает потерю отрицательного в несколько раз. В высокогорных условиях вследствие разреженности воздуха разряд с острых оконечностей значительно интенсивнее, чем в равнинной местности.

Чаще всего молния представляет собой многократный разряд. Это обычное явление, молний может насчитываться до нескольких десятков. Паузы между отдельными «залпами» составляют несколько секунд. Средняя длительность полного разряда молнии измеряется десятыми долями секунды, отклонения от среднего значения в обе стороны возможны на порядок величины. Обычно разряд развивается лавинообразно, сначала в виде ионизованного канала, получившего название лидера молнии, он ступенчато продвигается от облака к земле.

В зонах умеренного климата разряды молний направляются по преимуществу к земле, в тропиках же большинство разрядов происходит между облаками или внутри одного облака.

Разряды молний могут происходить между соседними наэлектризованными облаками или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей вследствие разделения и накопления атмосферного электричества в результате таких природных процессов, как дождь, снегопад. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу создает кратковременные токи от 3 до 200 кА. Для объяснения электризации грозовых облаков был разработан ряд теорий, например модель дробления дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие – отрицательно.

 

Существует также конкурирующая индукционная теория. Она строится на предположении о том, что электрические заряды разделяются электрическим полем Земли, имеющим отрицательный знак. В основе этого механизма лежит явление электростатической индукции, заключающееся в появлении противоположного заряда вблизи заряженной поверхности. Воздушные массы, насыщенные атмосферным электричеством, в целом электронейтральны, но нижняя кромка тучи получает положительный заряд, а верхняя – отрицательный. Горизонтальные молнии происходят между противоположными зарядами самого облака, а вертикальные – между его нижней частью и земной поверхностью.

В теории свободной ионизации предполагается, что электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Возможно, электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием всех этих механизмов, а основным из них является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.

При разряде молнии на всем протяжении ее извилистого пути происходит очень быстрое нагревание столба воздуха до нескольких десятков тысяч градусов. И основной канал молнии, и все его многочисленные разветвления становятся источниками ударных волн. Резкий фронт ударной волны по мере удаления от места разряда все более сглаживается, и на некотором расстоянии от источника ударная волна превращается в акустическую (звуковую) волну небольшой амплитуды. В ходе этого превращения происходит постепенное уменьшение скорости распространения ударной волны вплоть до скорости звука в конечном итоге. Разветвленность разряда молнии между облаками обусловлена ступенчатым характером движения лидера, направление каждого шага которого определяется локальными условиями ионизации и потому носит в значительной мере случайный характер.

Средняя длина молнии обычно составляет несколько километров, но изредка между облаками могут проскакивать молнии в десятки раз длиннее. При этом разность потенциалов между грозовым облаком и Землей в верхнем пределе иногда достигает миллиарда вольт. Канал молнии определяется электрическим полем на конце движущегося лидера и локальной ионизацией. Вблизи земли его движение определяется коронным разрядом, возникающим над заостренными проводящими предметами, выступающими над поверхностью земли. Молния с большой вероятностью повторно ударяет в туже самую точку, если только объект не разрушен предыдущим ударом.

Звуки, следующие после главного удара грома, создают впечатление удаляющегося от места наблюдения и постепенно затухающего рокочущего шума, это – раскаты грома. Они наблюдаются в местности с любым рельефом и образуются ветвящимся и удаляющимся от места наблюдения разрядом молнии. Длительность раскатов грома определяется особенностями развития молнии. В среднем раскаты длятся половину минуты, а крайние отклонения от среднего значения составляют около 50 %. Характер звучания грома является существенной особенностью уже начавшейся грозы. Народные приметы говорят, что длительные раскаты грома являются признаком приближения протяженного массива грозовых облаков. Глухой, продолжительный и умножающийся со временем гром с медленными раскатами характерен для длительной грозы, в то время как короткие и резкие удары с возрастающими по времени промежутками между ними характеризуют кратковременную.

В грозу нельзя прятаться под деревом. Следует отойти на расстояние, в два раза превышающее его высоту. Попадая в землю, молния «растекается», и ее импульсный ток создает разность потенциалов на поверхности, так называемое шаговое напряжение. Напряжение тем меньше, чем дальше от места удара. А воздействие на человека тем меньше, чем у́же стоят его ноги.

Средняя дальность слышимости грома для летних гроз на континенте составляет полтора десятка километров. Разница во времени между вспышками молнии и восприятием грома может достигать полутора минут. Гром от близкого разряда производит такое же действие на слух, как выстрел зенитного орудия в нескольких метрах от наблюдателя.

Площадь земной поверхности, на которой проявляются связанные с отдельной грозой электрические явления, простирается на десятки квадратных километров. Благодаря проводимости воздуха к земной поверхности на этой площади от облака поступает ток силой около ампера.

Учитывая, что на Земле ежесекундно наблюдается в среднем около 100 разрядов линейной молнии, можно подсчитать среднюю мощность, которая затрачивается в масштабе всей Земли на образование гроз; она равняется 10¹⁸ эрг/с. В связи с этим следует отметить, что энергия конденсации, выделяющаяся в грозовом облаке средних размеров с площадью основания около 30 км² при дожде средней интенсивности, составляет около 10²¹ эрг. Таким образом, энергия, выделяющаяся при выпадении осадков из грозового облака, значительно превышает его электрическую энергию.

С давних времен в процессе познания грозы человек стремился подчинить ее своей власти. Об этом говорит, например, легенда о Прометее. Овладение грозами было предметом мечтаний ученых и философов Средневековья. В последние годы были сделаны попытки засева грозовых облаков кристаллами йодистого серебра, йодистого свинца и твердой углекислоты. Предполагается, что каждое из этих веществ может способствовать затуханию и даже полному прекращению грозового процесса за счет резкого усиления конденсации водяного пара. Опыты в этом направлении уже позволили накопить обширный экспериментальный материал, позволяющий сделать ряд практических выводов. На их основе были разработаны методики, позволяющие эффективно бороться с локальными очагами непогоды при главных праздничных, спортивных, музыкальных и политических мероприятиях на открытом воздухе.

Солнечные панели космической станции содержат в общей сложности 262 400 солнечных батарей и занимают площадь около 2 500 м² – более половины площади футбольного поля.

Другой вариант основан на вычислении точной структуры и силы подогрева атмосферы, необходимого для снижения интенсивности урагана и изменения его курса. Несомненно, практическая реализация такого проекта потребует огромного количества энергии, но ее можно получить с помощью орбитальных солнечных электростанций.

Вырабатывающие энергию спутники следует оснастить гигантскими зеркалами, фокусирующими солнечное излучение на элементах солнечной батареи. Собранную энергию затем можно будет переправить на земные микроволновые приемники. Современные конструкции космических солнечных станций способны распространять микроволны, не нагревающие атмосферу и поэтому не теряющие энергию. Для управления погодой важно направить из космоса микроволны тех частот, при которых они лучше поглощаются водяным паром. Различные слои атмосферы можно нагреть согласно заранее продуманному плану, а области внутри урагана и ниже дождевых облаков будут защищены от нагрева, так как дождевые капли хорошо поглощают СВЧ-излучение.

Есть замечательный роман Даниила Гранина «Иду на грозу». В нем рассказывается о самоотверженных исследованиях молодых ученых, проводящих опасную авиаразведку бушующих гроз с борта плохо приспособленного транспортного самолета с целью найти критические параметры для управления погодой. В романе подобные попытки заканчиваются трагически, но сама идея воздействия на грозовые процессы непосредственно с борта летательного аппарата, находящегося в центре (глазе урагана), была очень популярна во второй половине прошлого века. К сожалению, практического воплощения «генератор» погодных условий не получил и до сих пор еще не построен.

Кроме проблемы управления погодными условиями существует не менее увлекательная задача получения энергии грозового электричества. В тридцатых годах прошлого века на одной из горных вершин Швейцарских Альп была установлена металлическая решетка. Во время гроз эта решетка собирала достаточный заряд для возникновения многометровых электрических разрядов, что соответствовало силе тока в несколько десятков тысяч ампер и миллионновольтной разности потенциалов.

Вначале предполагалось получаемое на этой установке напряжение использовать для ускорения заряженных частиц в ускорителях. Однако от этой мысли пришлось отказаться ввиду сильной изменчивости электрического состояния грозовых облаков и невозможности его достаточной стабилизации. Попытки использовать протекающий во время гроз в поднятых высоко над земной поверхностью антеннах электрический ток для питания ламп накаливания также пока не дали экономически выгодного эффекта.

Каждую минуту на Земле происходит около 6000 ударов молний между облаками и земной поверхностью, естественно, что это совершенно фантастическое количество электроэнергии, расходуемое «впустую» планетными грозами, давно не дает покоя поколениям изобретателей. В научно-популярных изданиях можно найти самые разнообразные проекты различных вертикальных электролиний – громоотводов, прикрепленных к аккумуляторам и поддерживаемых дирижаблями, гелиостатами (воздушными шарами, нагреваемыми солнцем) и даже геостационарными (висящими над определенной точкой земной поверхности) спутниками. Вполне вероятно, что приближающийся глобальный топливно-энергетический кризис заставит научный мир пересмотреть отношение к подобным идеям, перейдя к детальному анализу наиболее перспективных из них.

Между прочим, один из удивительных феноменов проявления атмосферного электричества уже многие столетия служит мореходству, получив название Маяк Маракайбо.

Глава 2. Молниевый шторм в Кататумбо

С незапамятных времен грозные и таинственные явления природы волновали людей, интересовали их и требовали объяснения. Почему, к примеру, время от времени небо затягивают черные тучи, блещут молнии и гремит гром? Почему огненные стрелы поражают некоторых людей, даже если они спрятались под высокими деревьями, и не трогают других в чистом поле? Нет ли в этом какого-нибудь тайного смысла, не участвуют ли в этом выборе неведомые силы?

А. Томилин. Заклятие Фавна

Как-то раз знаменитый британский пират «на службе короны», то есть имевший патент на официальный грабеж испанских колоний, Френсис Дрейк, задумал взять штурмом город Кататумбо. Этот некогда богатый испанский форпост расположен на северо-западе Венесуэлы, там, где река Кататумбо впадает в озеро Маракайбо. Весной 1595 года под покровом темноты отряды Дрейка подошли к стенам Кататумбо, и тут череда мощных беззвучных молний озарила все окрестности. Испанцы тут же подняли тревогу, и их пушки быстро обратили пиратов в бегство.

Это знаковое событие, предвосхитившее закат карибской пиратской вольницы, нашло свое отражение в эпической поэме Лопе де Вега «Песнь о драконе», написанной в 1597 году. В ней великий испанский драматург, поэт и писатель красочно изобразил гибель ненавистного адмирала-флибустьера.

Так весь мир узнал о прекрасном в своей загадочности природном явлении, которое получило название «молнии Кататумбо».

Феномен Кататумбо исследовал знаменитый прусский естествоиспытатель Александр фон Гумбольдт, пришедший к выводу, что молниевые штормы в небесах вызывают своеобразные «электрические взрывы». Наблюдения Гумбольдта дополнил известный итальянский географ Агустин Кодацци, много писавший об «удивительной череде молний высоко в небесах, которые возникают без грозовой канонады над болотами Зулиа» (Зулиа – это штат Венесуэлы, где располагается озеро Маракайбо и река Кататумбо).

Сегодня мы знаем, что непрекращающийся шторм Кататумбо выражается в возникновении множества последовательных молниевых вспышек. Порывы этого небесного шторма возникают в основном ночью и сильно зависят от времени года, достигая пика интенсивности в мае и октябре. Интенсивность ударов молний здесь одна из самых высоких на Земном шаре и достигает 250 разрядов на квадратный километр в год. При этом количество грозовых дней в году меняется от семидесяти до двухсот. В суточном пике активности, который приходится на время от семи часов вечера до четырех утра, можно увидеть до трех десятков вспышек в минуту. В час молнии вспыхивают до трех сотен раз.

Молнии видны с расстояния до 400 км, не только в дни штормов, но и в обычные. Из-за такой постоянной грозовой активности молниевый шторм называют Маяком Маракайбо, ведь на протяжении столетий яркие сполохи помогали судам ориентироваться в болотистой дельте Кататумбо.

Грозовые тучи над Кататумбо порождают более миллиона молний в год, мощность каждой из которых составляет порядка 400000 А. Непрерывно сменяя друг друга, небо рассекают колоссальные электрические разряды до десяти и более километров длиной. Самое интересное, что при такой интенсивности молний практически не слышно грозовых раскатов.

 

Считается, что молнии Кататумбо являются крупнейшим одиночным генератором озона на Земле. Впадающая в озеро Маракайбо река Кататумбо проходит через очень большие болота, вымывая органические материалы, которые, разлагаясь, выделяют огромные облака ионизированного метана. Потом они поднимаются на большие высоты, где разносятся сильными ветрами, прибывающими из Анд. Метан, ослабляя изоляционные свойства воздуха в облаке, вызывает частое появление молний.

Существуют и другие версии возникновения молниевого шторма над Маракайбо, но в январе 2010 года метановая гипотеза получила существенное подтверждение. После многомесячной засухи многие болота пересохли, и выбросы метана резко снизились. Вскоре Маяк Маракайбо погас. Небесные сполохи исчезли на долгие три месяца, так что экологи, метеорологи и туристы забили тревогу задаваясь вопросом, почему прекратился удивительный феномен. К счастью, после обильного сезона дождей, восстановившего водный баланс болот, генератор молний заработал вновь и с небольшими перерывами продолжает сверкать до сих пор.

Обычно молнии «включаются» примерно через час после заката. К этому моменту небольшие кораблики с туристами уже качаются на волнах озера. Берег чуть виден, и его огни не мешают наслаждаться удивительной и завораживающей картиной бесконечной пляски желто-оранжевых всполохов. При этом старожилы не рекомендуют искать встречи с молниями в период с января по март.

Недавно НАСА представило серию снимков молниевых штормов, сделанных с высоты нескольких сотен километров метеоспутником GOES-16. Этот геостационарный спутник наблюдения за окружающей средой был запущен на орбиту высотой в 35,8 тысячи км и с тех пор висит над Западным полушарием, анализируя погоду и передавая данные на Землю.

Этому новейшему американскому погодному спутнику и удалось запечатлеть поразительный мощный электрический шторм, который разразился над северо-западом Венесуэлы. Кроме всего прочего, GOES-16 зафиксировал редкую особенность молниевого шторма, когда разряды бьют исключительно из тучи в тучу параллельно земной поверхности.

На гербе и флаге штата Зулиа в честь феномена Кататумбо изображен стилизованный Маяк Маракайбо. При этом власти штата при поддержке центрального правительства на протяжении многих лет ставят вопрос о включении этого удивительного природного явления в перечень памятников всемирного наследия ЮНЕСКО. Если молнии Кататумбо когда-нибудь попадут в этот список, это, несомненно, будет беспрецедентным решением мирового сообщества.

Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Электричество — это наличие и протекание электрического тока. Используя электричество, мы можем передавать энергию способами, которые позволяют нам выполнять простые домашние дела. ^[1] Его наиболее известная форма — поток электронов через проводники, такие как медные провода.

Слово «электричество» иногда используется для обозначения «электрической энергии». Это не одно и то же: электричество — это средство передачи электрической энергии, как морская вода — средство передачи энергии волн. Предмет, который позволяет электричеству проходить через него, называется проводником. Медные провода и другие металлические предметы являются хорошими проводниками, позволяя электричеству проходить по ним и передавать электрическую энергию. Пластмассы являются плохим проводником (они являются изоляторами) и не пропускают через себя много электричества. Они останавливают передачу электрической энергии.

Электрическая энергия может быть получена естественным путем (например, молнией) или людьми (например, в генераторе). Его можно использовать для питания машин и электрических устройств. Когда электрические заряды не движутся, электричество называют статическим электричеством. Когда заряды движутся, они представляют собой электрический ток, который иногда называют «динамическим электричеством». Молния является наиболее известным и опасным видом электрического тока в природе, но иногда статическое электричество также вызывает слипание вещей в природе.

Электричество может быть опасным, особенно вблизи воды, потому что вода является хорошим проводником, так как в ней есть примеси, такие как соль. Соль может помочь потоку электричества. С девятнадцатого века электричество используется во всех сферах нашей жизни. До тех пор это было просто диковинкой, увиденной в молнии грозы.

Электрическая энергия может быть получена, если магнит проходит близко к металлической проволоке. Это метод, используемый генератором. Самые большие генераторы находятся на электростанциях. Электрическая энергия также может быть высвобождена путем объединения химических веществ в банке с двумя металлическими стержнями разных видов. Этот метод используется в аккумуляторе. Статическое электричество может создаваться трением между двумя материалами, например, шерстяной шапкой и пластиковой линейкой. Это может вызвать искру. Электрическая энергия также может быть получена с использованием энергии солнца, например, в фотогальванических элементах.

Электроэнергия поступает в дома по проводам от мест, где она производится. Он используется электрическими лампами, электрическими обогревателями и т. д. Многие приборы, такие как стиральные машины и электрические плиты, используют электричество. На заводах электрическая энергия приводит в действие машины. Людей, которые работают с электричеством и электрическими устройствами в домах и на фабриках, называют «электриками».

Идея электричества, или тот факт, что янтарь приобретает способность притягивать легкие предметы при трении, возможно, была известна греческому философу Фалесу Милетскому, жившему около 600 г. до н.э.

Другой греческий философ, Теофраст, заявил в трактате, что этой силой обладают другие субстанции.

Первое научное исследование электрических и магнитных явлений, однако, появилось только в 1600 году нашей эры благодаря исследованиям, проведенным английским врачом Уильямом Гилбертом. Гилберт был первым, кто применил термин электрический (греч. elektron , «янтарь») к силе, проявляемой веществами после трения. Он также различал магнитное и электрическое действие.

Бен Франклин посвятил много времени исследованиям в области электричества. Его знаменитый эксперимент с воздушным змеем доказал, что атмосферное электричество (вызывающее явления молнии и грома) идентично электростатическому заряду лейденской банки. Франклин разработал свою теорию о том, что электричество — это единственная «жидкость», существующая во всей материи, и что его действие можно объяснить избытком и недостатком этой жидкости.

Существует два типа электрических зарядов, которые толкают и притягивают друг друга: положительные заряды и отрицательные заряды. Электрические заряды толкают или притягивают друг друга, если они не соприкасаются. Это возможно, потому что каждый заряд составляет электрическое поле вокруг себя. Электрическое поле – это область, окружающая заряд. В каждой точке вблизи заряда электрическое поле направлено в определенном направлении. Если в эту точку поместить положительный заряд, он будет толкаться в этом направлении. Если в эту точку поместить отрицательный заряд, он будет толкаться в прямо противоположном направлении.

Работает как магниты, и на самом деле электричество создает магнитное поле, в котором одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные притягиваются. Это означает, что если вы поместите два негатива близко друг к другу и отпустите их, они разойдутся. То же верно и для двух положительных зарядов. Но если вы поместите положительный и отрицательный заряды близко друг к другу, они будут притягиваться друг к другу. Короткий способ запомнить это фраза противоположности притягиваются, подобное отталкивается.

Вся материя во Вселенной состоит из мельчайших частиц с положительным, отрицательным или нейтральным зарядом. Положительные заряды называются протонами, а отрицательные — электронами. Протоны намного тяжелее электронов, но оба имеют одинаковый электрический заряд, за исключением того, что протоны положительны, а электроны отрицательны. Поскольку «противоположности притягиваются», протоны и электроны слипаются. Несколько протонов и электронов могут образовывать более крупные частицы, называемые атомами и молекулами. Атомы и молекулы все еще очень малы. Они слишком малы, чтобы их увидеть. В любом крупном объекте, например, в вашем пальце, атомов и молекул больше, чем кто-либо может сосчитать. Мы можем только оценить их количество.

Поскольку отрицательные электроны и положительные протоны слипаются, образуя большие объекты, все большие объекты, которые мы можем видеть и чувствовать, электрически нейтральны. Электрически — это слово, означающее «описание электричества», а нейтральный — это слово, означающее «сбалансированный». Вот почему мы не чувствуем, как объекты толкают и тянут нас на расстоянии, как если бы все было электрически заряжено. Все большие объекты электрически нейтральны, потому что в мире одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов. Можно сказать, что мир точно сбалансирован или нейтрален. Ученые до сих пор не знают, почему это так.

Чертеж электрической цепи: ток (I) течет от + по цепи обратно к –

Электричество передается по проводам.

Электроны могут перемещаться по всему материалу. Протоны никогда не движутся вокруг твердого объекта, потому что они очень тяжелые, по крайней мере, по сравнению с электронами. Материал, который позволяет электронам двигаться, называется проводником . Материал, который плотно удерживает каждый электрон на месте, называется изолятором . Примерами проводников являются медь, алюминий, серебро и золото. Примерами изоляторов являются резина, пластик и дерево. Медь очень часто используется в качестве проводника, потому что это очень хороший проводник, и ее так много в мире. Медь содержится в электрических проводах. Но иногда используются и другие материалы.

Внутри проводника электроны скачут, но они не могут долго двигаться в одном направлении. Если внутри проводника создается электрическое поле, все электроны начнут двигаться в направлении, противоположном направлению, на которое указывает поле (поскольку электроны заряжены отрицательно). Батарея может создавать электрическое поле внутри проводника. Если оба конца куска провода соединены с двумя концами батареи (называемыми электродами ), то петля, которая образовалась, называется электрическая цепь. Электроны будут течь по цепи до тех пор, пока батарея создает электрическое поле внутри провода. Этот поток электронов по цепи называется электрическим током.

Токопроводящий провод, используемый для передачи электрического тока, часто обернут изолятором, например резиной. Это связано с тем, что провода, по которым течет ток, очень опасны. Если человек или животное коснется оголенного провода, по которому течет ток, он может получить травму или даже умереть в зависимости от силы тока и количества передаваемой им электрической энергии. Будьте осторожны рядом с электрическими розетками и оголенными проводами, по которым может проходить ток.

Можно подключить электрическое устройство к цепи, чтобы электрический ток протекал через устройство. Этот ток будет передавать электрическую энергию, чтобы заставить устройство делать то, что мы хотим. Электрические устройства могут быть очень простыми. Например, в лампочке ток переносит энергию через специальный провод, называемый нитью накала, что заставляет ее светиться. Электрические устройства также могут быть очень сложными. Электрическая энергия может использоваться для привода электродвигателя внутри инструмента, такого как дрель или точилка для карандашей. Электроэнергия также используется для питания современных электронных устройств, включая телефоны, компьютеры и телевизоры.

Некоторые термины, связанные с электричеством[изменить | изменить источник]

Вот несколько терминов, с которыми может столкнуться человек, изучая, как работает электричество. Изучение электричества и того, как оно делает возможными электрические цепи, называется электроникой. Есть область инженерии, называемая электротехникой, где люди придумывают новые вещи, используя электричество. Им важно знать все эти термины.

• Ток — это количество протекающего электрического заряда. Когда 1 кулон электричества проходит где-то за 1 секунду, сила тока равна 1 ампер. Для измерения тока в одной точке воспользуемся амперметром.

• Напряжение, также называемое «разницей потенциалов», представляет собой «толчок» позади тока. Это количество работы на электрический заряд, которую может совершить источник электричества. Когда 1 кулон электричества имеет 1 джоуль энергии, он будет иметь 1 вольт электрического потенциала. Чтобы измерить напряжение между двумя точками, мы используем вольтметр.

• Сопротивление – это способность вещества «замедлять» протекание тока, то есть уменьшать скорость, с которой заряд протекает через вещество. Если электрическое напряжение в 1 вольт поддерживает ток в 1 ампер через провод, сопротивление провода равно 1 Ом – это называется законом Ома. Когда поток тока противоположен, энергия «расходуется», что означает, что она преобразуется в другие формы (например, свет, тепло, звук или движение)

• Электрическая энергия – это способность выполнять работу с помощью электрических устройств. Электрическая энергия является «сохраняемым» свойством, означающим, что она ведет себя как вещество и может перемещаться с места на место (например, по передающей среде или в батарее). Электрическая энергия измеряется в джоулях или киловатт-часах (кВтч).

• Электроэнергия — это скорость, с которой электроэнергия используется, хранится или передается. Потоки электрической энергии по линиям электропередач измеряются в ваттах. Если электрическая энергия преобразуется в другую форму энергии, она измеряется в ваттах. Если какая-то его часть преобразуется, а какая-то сохраняется, она измеряется в вольт-амперах, а если накапливается (как в электрических или магнитных полях), то измеряется в реактивных вольт-амперах.

Паровой двигатель в центре приводит в движение два генератора по бокам, конец 19 века

Электроэнергия в основном вырабатывается в местах, называемых электростанциями. Большинство электростанций используют тепло для кипячения воды в пар, который вращает паровой двигатель. Турбина парового двигателя вращает машину, называемую «генератором». Спиральные провода внутри генератора вращаются в магнитном поле. Это заставляет электричество течь по проводам, неся электрическую энергию. Этот процесс называется электромагнитной индукцией. Майкл Фарадей открыл, как это сделать.

Многие источники тепла можно использовать для кипячения воды для генераторов. Источники тепла могут использовать возобновляемые источники энергии, в которых запас тепловой энергии никогда не иссякает, и невозобновляемые источники энергии, запасы которых в конечном итоге будут израсходованы.

Иногда естественный поток, такой как энергия ветра или воды, может использоваться непосредственно для вращения генератора, поэтому тепло не требуется.

1. ↑ «Полное определение электричества». Словарь Merriam-Webster . Мерриам-Вебстер. Проверено 12 января 2016 г.

• Электричество -Citizendium

Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Электричество – это наличие и протекание электрического тока. Используя электричество, мы можем передавать энергию способами, которые позволяют нам выполнять простые домашние дела. ^[1] Его наиболее известная форма — поток электронов через проводники, такие как медные провода.

Слово «электричество» иногда используется для обозначения «электрической энергии». Это не одно и то же: электричество — это средство передачи электрической энергии, как морская вода — средство передачи энергии волн. Предмет, который позволяет электричеству проходить через него, называется проводником. Медные провода и другие металлические предметы являются хорошими проводниками, позволяя электричеству проходить по ним и передавать электрическую энергию. Пластмассы являются плохим проводником (они являются изоляторами) и не пропускают через себя много электричества. Они останавливают передачу электрической энергии.

Электрическая энергия может быть получена естественным путем (например, молнией) или людьми (например, в генераторе). Его можно использовать для питания машин и электрических устройств. Когда электрические заряды не движутся, электричество называют статическим электричеством. Когда заряды движутся, они представляют собой электрический ток, который иногда называют «динамическим электричеством». Молния является наиболее известным и опасным видом электрического тока в природе, но иногда статическое электричество также вызывает слипание вещей в природе.

Электричество может быть опасным, особенно вблизи воды, потому что вода является хорошим проводником, так как в ней есть примеси, такие как соль. Соль может помочь потоку электричества. С девятнадцатого века электричество используется во всех сферах нашей жизни. До тех пор это было просто диковинкой, увиденной в молнии грозы.

Электрическая энергия может быть получена, если магнит проходит близко к металлической проволоке. Это метод, используемый генератором. Самые большие генераторы находятся на электростанциях. Электрическая энергия также может быть высвобождена путем объединения химических веществ в банке с двумя металлическими стержнями разных видов. Этот метод используется в аккумуляторе. Статическое электричество может создаваться трением между двумя материалами, например, шерстяной шапкой и пластиковой линейкой. Это может вызвать искру. Электрическая энергия также может быть получена с использованием энергии солнца, например, в фотогальванических элементах.

Электроэнергия поступает в дома по проводам от мест, где она производится. Он используется электрическими лампами, электрическими обогревателями и т. д. Многие приборы, такие как стиральные машины и электрические плиты, используют электричество. На заводах электрическая энергия приводит в действие машины. Людей, которые работают с электричеством и электрическими устройствами в домах и на фабриках, называют «электриками».

Идея электричества, или тот факт, что янтарь приобретает способность притягивать легкие предметы при трении, возможно, была известна греческому философу Фалесу Милетскому, жившему около 600 г. до н.э.

Другой греческий философ, Теофраст, заявил в трактате, что этой силой обладают другие субстанции.

Первое научное исследование электрических и магнитных явлений, однако, появилось только в 1600 году нашей эры благодаря исследованиям, проведенным английским врачом Уильямом Гилбертом. Гилберт был первым, кто применил термин электрический (греч. elektron , «янтарь») к силе, проявляемой веществами после трения. Он также различал магнитное и электрическое действие.

Бен Франклин посвятил много времени исследованиям в области электричества. Его знаменитый эксперимент с воздушным змеем доказал, что атмосферное электричество (вызывающее явления молнии и грома) идентично электростатическому заряду лейденской банки. Франклин разработал свою теорию о том, что электричество — это единственная «жидкость», существующая во всей материи, и что его действие можно объяснить избытком и недостатком этой жидкости.

Существует два типа электрических зарядов, которые толкают и притягивают друг друга: положительные заряды и отрицательные заряды. Электрические заряды толкают или притягивают друг друга, если они не соприкасаются. Это возможно, потому что каждый заряд составляет электрическое поле вокруг себя. Электрическое поле – это область, окружающая заряд. В каждой точке вблизи заряда электрическое поле направлено в определенном направлении. Если в эту точку поместить положительный заряд, он будет толкаться в этом направлении. Если в эту точку поместить отрицательный заряд, он будет толкаться в прямо противоположном направлении.

Работает как магниты, и на самом деле электричество создает магнитное поле, в котором одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные притягиваются. Это означает, что если вы поместите два негатива близко друг к другу и отпустите их, они разойдутся. То же верно и для двух положительных зарядов. Но если вы поместите положительный и отрицательный заряды близко друг к другу, они будут притягиваться друг к другу. Короткий способ запомнить это фраза противоположности притягиваются, подобное отталкивается.

Вся материя во Вселенной состоит из мельчайших частиц с положительным, отрицательным или нейтральным зарядом. Положительные заряды называются протонами, а отрицательные — электронами. Протоны намного тяжелее электронов, но оба имеют одинаковый электрический заряд, за исключением того, что протоны положительны, а электроны отрицательны. Поскольку «противоположности притягиваются», протоны и электроны слипаются. Несколько протонов и электронов могут образовывать более крупные частицы, называемые атомами и молекулами. Атомы и молекулы все еще очень малы. Они слишком малы, чтобы их увидеть. В любом крупном объекте, например, в вашем пальце, атомов и молекул больше, чем кто-либо может сосчитать. Мы можем только оценить их количество.

Поскольку отрицательные электроны и положительные протоны слипаются, образуя большие объекты, все большие объекты, которые мы можем видеть и чувствовать, электрически нейтральны. Электрически — это слово, означающее «описание электричества», а нейтральный — это слово, означающее «сбалансированный». Вот почему мы не чувствуем, как объекты толкают и тянут нас на расстоянии, как если бы все было электрически заряжено. Все большие объекты электрически нейтральны, потому что в мире одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов. Можно сказать, что мир точно сбалансирован или нейтрален. Ученые до сих пор не знают, почему это так.

Чертеж электрической цепи: ток (I) течет от + по цепи обратно к –

Электричество передается по проводам.

Электроны могут перемещаться по всему материалу. Протоны никогда не движутся вокруг твердого объекта, потому что они очень тяжелые, по крайней мере, по сравнению с электронами. Материал, который позволяет электронам двигаться, называется проводником . Материал, который плотно удерживает каждый электрон на месте, называется изолятором . Примерами проводников являются медь, алюминий, серебро и золото. Примерами изоляторов являются резина, пластик и дерево. Медь очень часто используется в качестве проводника, потому что это очень хороший проводник, и ее так много в мире. Медь содержится в электрических проводах. Но иногда используются и другие материалы.

Внутри проводника электроны скачут, но они не могут долго двигаться в одном направлении. Если внутри проводника создается электрическое поле, все электроны начнут двигаться в направлении, противоположном направлению, на которое указывает поле (поскольку электроны заряжены отрицательно). Батарея может создавать электрическое поле внутри проводника. Если оба конца куска провода соединены с двумя концами батареи (называемыми электродами ), то петля, которая образовалась, называется электрическая цепь. Электроны будут течь по цепи до тех пор, пока батарея создает электрическое поле внутри провода. Этот поток электронов по цепи называется электрическим током.

Токопроводящий провод, используемый для передачи электрического тока, часто обернут изолятором, например резиной. Это связано с тем, что провода, по которым течет ток, очень опасны. Если человек или животное коснется оголенного провода, по которому течет ток, он может получить травму или даже умереть в зависимости от силы тока и количества передаваемой им электрической энергии. Будьте осторожны рядом с электрическими розетками и оголенными проводами, по которым может проходить ток.

Можно подключить электрическое устройство к цепи, чтобы электрический ток протекал через устройство. Этот ток будет передавать электрическую энергию, чтобы заставить устройство делать то, что мы хотим. Электрические устройства могут быть очень простыми. Например, в лампочке ток переносит энергию через специальный провод, называемый нитью накала, что заставляет ее светиться. Электрические устройства также могут быть очень сложными. Электрическая энергия может использоваться для привода электродвигателя внутри инструмента, такого как дрель или точилка для карандашей. Электроэнергия также используется для питания современных электронных устройств, включая телефоны, компьютеры и телевизоры.

Некоторые термины, связанные с электричеством[изменить | изменить источник]

Вот несколько терминов, с которыми может столкнуться человек, изучая, как работает электричество. Изучение электричества и того, как оно делает возможными электрические цепи, называется электроникой. Есть область инженерии, называемая электротехникой, где люди придумывают новые вещи, используя электричество. Им важно знать все эти термины.

• Ток — это количество протекающего электрического заряда. Когда 1 кулон электричества проходит где-то за 1 секунду, сила тока равна 1 ампер. Для измерения тока в одной точке воспользуемся амперметром.

• Напряжение, также называемое «разницей потенциалов», представляет собой «толчок» позади тока. Это количество работы на электрический заряд, которую может совершить источник электричества. Когда 1 кулон электричества имеет 1 джоуль энергии, он будет иметь 1 вольт электрического потенциала. Чтобы измерить напряжение между двумя точками, мы используем вольтметр.

• Сопротивление – это способность вещества «замедлять» протекание тока, то есть уменьшать скорость, с которой заряд протекает через вещество. Если электрическое напряжение в 1 вольт поддерживает ток в 1 ампер через провод, сопротивление провода равно 1 Ом – это называется законом Ома. Когда поток тока противоположен, энергия «расходуется», что означает, что она преобразуется в другие формы (например, свет, тепло, звук или движение)

• Электрическая энергия – это способность выполнять работу с помощью электрических устройств. Электрическая энергия является «сохраняемым» свойством, означающим, что она ведет себя как вещество и может перемещаться с места на место (например, по передающей среде или в батарее). Электрическая энергия измеряется в джоулях или киловатт-часах (кВтч).

• Электроэнергия — это скорость, с которой электроэнергия используется, хранится или передается. Потоки электрической энергии по линиям электропередач измеряются в ваттах. Если электрическая энергия преобразуется в другую форму энергии, она измеряется в ваттах. Если какая-то его часть преобразуется, а какая-то сохраняется, она измеряется в вольт-амперах, а если накапливается (как в электрических или магнитных полях), то измеряется в реактивных вольт-амперах.

Паровой двигатель в центре приводит в движение два генератора по бокам, конец 19 века

Электроэнергия в основном вырабатывается в местах, называемых электростанциями. Большинство электростанций используют тепло для кипячения воды в пар, который вращает паровой двигатель. Турбина парового двигателя вращает машину, называемую «генератором». Спиральные провода внутри генератора вращаются в магнитном поле. Это заставляет электричество течь по проводам, неся электрическую энергию. Этот процесс называется электромагнитной индукцией. Майкл Фарадей открыл, как это сделать.

Многие источники тепла можно использовать для кипячения воды для генераторов. Источники тепла могут использовать возобновляемые источники энергии, в которых запас тепловой энергии никогда не иссякает, и невозобновляемые источники энергии, запасы которых в конечном итоге будут израсходованы.

Иногда естественный поток, такой как энергия ветра или воды, может использоваться непосредственно для вращения генератора, поэтому тепло не требуется.